Электрическая цепь и ее элементы

Электрической цепью называется совокупность электротехнических устройств, предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования электрической и других видов энергии и информации.

Основными элементами электрической цепи являются источники электрической энергии и приемники электрической энергии.

В источниках механическая, химическая и другие виды энергии преобразуются в электрическую энергию. В приемниках электрическая энергия превращается в механическую, тепловую, световую и другие виды энергии.

В судовых электрических цепях в качестве источников могут использоваться дизель-генераторы, турбогенераторы, валогенераторы, аккумуляторные батареи (в режиме разрядки), гальванические элементы, статистические и машинные преобразователи. Основные приемники электрической энергии на судах – это электродвигатели, нагревательные элементы, светильники, устройства автоматики, аккумуляторные батареи (в режиме зарядки).

Электрические цепи содержат также вспомогательные элементы: соединительные провода (кабельные трассы, линии передачи), коммутационную аппаратуру (выключатели, переключатели), устройства измерения и контроля параметров.

Графическое изображение электрической цепи называется схемой. На рис. 1 приведен пример схемы электрической цепи постоянного тока, состоящей из источника, приемника и соединительных проводов.

Рис. 1. Схема простейшей электрической цепи постоянного тока

Процессы, происходящие в электрической цепи, описываются с помощью таких понятий как ток, напряжение, электродвижущая сила (ЭДС), мощность, энергия. В цепях постоянного тока ЭДС, напряжение, ток, мощность не зависят от времени. Символы этих величин для цепей, постоянного тока принято изображать прописными буквами E, U, I, P. В цепях переменного тока ЭДС, напряжение, ток, мощность являются функциями времени. Для обозначения мгновенных значений этих величин используются строчные буквы e, u, i, p.

Электрический ток (ток проводимости) как явление представляет собой упорядоченное движение носителей зарядов внутри проводника.

Количественно электрический ток (сила тока) определяется как скорость протекания зарядов q через любое поперечное сечение проводника:

Ток измеряется в амперах [А].

За истинное направление тока условно принято движение положительных зарядов. Поэтому во внешней по отношению к источнику цепи ток течет от точки схемы с большим потенциалом к точке схемы с меньшим потенциалом (от зажима «+» к зажиму «–» на рис. 1).

Напряжение на участке электрической цепи – это работа сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда между начальной и конечной точками этого участка. Напряжение равно разности электрических потенциалов начальной и конечной точек участка. Так, для участка ab на рис. 2

,

где φ_a, φ_b – потенциалы точек a и b соответственно.

Во внешней по отношению к источнику цепи направления напряжения и тока совпадают (см. рис. 1, 2).

Рис. 2. Участок электрической цепи

Перенос зарядов в электрических цепях в установившемся режиме работы осуществляется под воздействием ЭДС источников электрической энергии. ЭДС источника создается за счет затрат внешней по отношению к электрической цепи энергии: механической энергии приводного двигателя, вращающего генератор, электрохимической энергии аккумуляторной батареи или гальванического элемента, тепловой энергии в термопаре. ЭДС источника E численно равна разности потенциалов между положительным и отрицательным зажимами источника в режиме холостого хода (когда ток источника равен нулю).

Ток внутри источника ЭДС направлен от зажима «–» к зажиму «+», а стрелка внутри окружности, изображающей источник на схеме, направлена в сторону большего потенциала (см. рис. 1).

Напряжение и ЭДС измеряются в вольтах [В].

Электрическая энергия, выделяемая (потребляемая) на участке электрической цепи за время t, равна

Энергия измеряется в джоулях [Дж].

Электрическая мощность характеризует скорость изменения энергии

Мощность измеряется в ваттах [Вт].

Анализ работы электрической цепи значительно упрощается, если элементы считать идеальными. Поэтому на схемах реальные элементы цепи заменяются идеальными элементами схемы. Эти идеальные элементы схемы отражают какие-то определенные свойства реальных элементов цепи. Для отражения нескольких различных свойств реального элемента его схема может компоноваться из нескольких идеальных элементов с различными свойствами.

Для цепей постоянного тока используются понятия двух идеальных элементов: идеального источника и идеального приемника.

Идеальный приемник (см. рис. 1, 2) – это пассивный элемент цепи, в котором энергия электрического тока безвозвратно рассеивается в виде тепла. Свойствами идеального пассивного элемента практически обладает резистор, который характеризуется сопротивлением R или проводимостью g = 1/R. Единица измерения сопротивления называется ом [Ом], а проводимости – сименс [См], причем 1См = 1/Ом.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца энергия, выделяющаяся в виде тепла в пассивном элементе, прямо пропорциональна сопротивлению, квадрату тока и времени. Этот закон выражается формулами:

Идеальный источник – это такой активный элемент цепи, который всю выработанную энергию отдает во внешнюю цепь. Коэффициент полезного действия (КПД) идеального источника h = 100 %. В природе такого источника не существует. По своим характеристикам к идеальному приближается источник, у которого потери энергии в виде тела внутри источника пренебрежимо малы по сравнению с энергией, отдаваемой приемнику.

Реальный источник в схеме электрической цепи можно представить, например, в виде совокупности двух идеальных элементов: идеального источника ЭДС Е и внутреннего сопротивления источника R_i (см. рис. 1). Введение в схему внутреннего сопротивления источника R_i позволяет учесть потери энергии в виде тепла внутри самого источника.

Элементы электрических цепей можно подразделить на линейные и нелинейные.

В пассивном линейном элементе отношение напряжения к току постоянно. В качестве пассивного линейного элемента можно рассматривать, например, резистор с постоянным сопротивлением R:

Графическую зависимость напряжения от тока (или тока от напряжения) для пассивных элементов принято называть вольт-амперной характеристикой. Вольт-амперная характеристика резистора приведена на рис. 3. Она представляет собой луч 1, выходящий из начала координат. У пассивного нелинейного элемента отношение напряжения к току непостоянно и вольт-амперная характеристика нелинейна (рис. 3, кривая 2).

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики линейного 1

и нелинейного 2 пассивных элементов

Графическую зависимость напряжения от тока для источников электрической энергии принято называть внешней характеристикой. Внешняя характеристика реального линейного источника приведена на рис. 4. Она представляет собой отрезок прямой линии 1 между точкой холостого хода (U = E) и точкой короткого замыкания (U = 0). Пунктирной линией 2, параллельной оси абсцисс, на этом графике изображена внешняя характеристика идеального источника ЭДС. Внешняя характеристика реального нелинейного источника приведена на рис. 4, кривая 3. Цепь называется линейной, если все элементы цепи линейны. Если хотя бы один элемент цепи нелинеен, то цепь будет нелинейной. Практически все цепи нелинейные. Однако при рассмотрении изменений напряжений и токов в ограниченном диапазоне многие цепи можно считать линейными.

В настоящем учебном пособии рассматриваются линейные электрические цепи постоянного тока.

Рис. 4. Внешние характеристики линейного 1, идеального 2

и нелинейного 3 источников ЭДС