Общие понятия и определения линейных электрических цепей (ЛЭЦ)

Электротехническое устройство и происходящие в нем физические процессы в теории электротехники заменяют расчетным эквивалентом - электрической цепью.

Электрическая цепь - это совокупность соединенных друг с другом проводниками источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью понятий ток, напряжение, ЭДС, сопротивление, проводимость, индуктивность, емкость.

Электрический ток –это направленное движение электрических зарядов. Он представляет направленное упорядоченное движение носителей электрического заряда. Как известно из курса физики, носителями зарядов в металлах являются электроны, в полупроводниках электроны и дырки (ионы), в жидкостях - ионы.

Величина тока, протекающего по проводнику, определяется количеством зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени (1 сек.).

- для постоянного тока.

Если величина тока непостоянна –

Если ток sin:

(А)

I_m - амплитуда,

T – период, время в течение которого совершается одно полное колебание.

- частота (Гц)

- угловая частота (сек^-1)

t – время (с)

- фаза – характеризует состояние колебания в данный момент времени «t»

- начальная фаза.

Ток бывает постоянный (I), - т. е. неизменный по времени и по величине; пульсирующий – неизменный по направлению, но изменяющийся по величине; переменный (i) – изменяющийся во времени и по величине, и по направлению какому либо закону (например, sin).

Упорядоченное движение носителей зарядов в проводниках вызывается электрическим полем. Поле создается источниками электрической энергии. Источник преобразует химическую, механическую, кинематическую, световую или другую энергию в электрическую. Он характеризуется ЭДС и внутренним сопротивлением. ЭДС источника м.б. постоянной или переменной во времени. Переменная ЭДС может изменяться во времени по любому физически реализуемому закону. Ток, протекающий по цепи под воздействием переменной ЭДС также переменный.

Постоянный ток принято обозначать буквой I, переменный i(t); постоянную ЭДС - Е, переменную е(t), сопротивление - R, проводимость -g. В международной системе единиц (СИ) ток измеряют в амперах (А), ЭДС - в вольтах (В), сопротивление в омах (Ом), проводимость - в сименсах (См).

При анализе электрических цепей, как правило оценивают значение токов, напряжений и мощностей. В этом случае нет необходимости учитывать конкретное устройство различных нагрузок. Важно знать лишь их сопротивление - R, индуктивность - L, или емкость - С. Такие элементы цепи называют приемниками электрической энергии.

Для включения и отключения элементов электрических цепей применяют коммутационную аппаратуру ( рубильники, выключатели, тумблеры. Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощности.

Изображение электрической цепи с помощью условных графических обозначений называют электрической схемой.

Зависимость тока, протекающего по сопротивлению, от напряжения на этом сопротивлении принято называть вольтамперной характеристикой.

Приемники электрической энергии, вольтамперные характеристики которых являются прямыми линиями (рис. 1), называются линейными, а электрические цепи только с линейными элементами - линейными электрическими цепями.

Рисунок 1- Изображение электрической схемы и вольтамперных характеристик

Электрические цепи с нелинейными элементами называются нелинейными электрическими цепями.

Классификация электрических цепей. Структурные элементы электрической цепи. Основные понятия

Электрические цепи подразделяют на неразветвлённые и разветвленные. В неразветвленной цепи во всех элементах ее течет один и тот же ток. Разветвленная электрическая цепь имеет несколько ветвей. В каждой ветви течет свой ток.

Электрическая цепь – совокупность совмещённых друг с другом источников (И) электрической энергии (ЭЭ) (ИЭЭ) и нагрузок, по которым может протекать электрический ток.

Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов. Величина тока, протекающего по проводнику, определяется количеством зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени (1 сек.).

- для постоянного тока.

Если величина тока непостоянна –

Если ток sin:

(А)

I_m - амплитуда,

T – период, время в течение которого совершается одно полное колебание.

- частота (Гц)

- угловая частота (сек^-1)

t – время (с)

- фаза – характеризует состояние колебания в данный момент времени «t»

- начальная фаза.

ИЭЭ – преобразуют химическую, ядерную, тепловую, механическую и другие виды энергии в электрическую.

ИЭЭ – характеризуется величиной и направлением ЭДС и величиной внутреннего сопротивления. ( ) – активная часть цепи.

Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называется электрической схемой.

Приёмники электрической энергии (пассивная часть цепи) – это преобразователи электромагнитной энергии в энергию другого вида (механическую, химическую (электролизеры), тепловую и др.).

Электрическая цепь (ЭЦ) (электрическая схема (ЭС)) имеют ветви и узлы.

Ветвь – весь участок электрической цепи, в котором в любой момент времени ток имеет одно и тоже значение вдоль всего участка.

Узел – место ЭЦ (ЭС) в котором сходятся три и более ветви.

Последовательное соединение участков ЭЦ, при котором через все участки цепи проходит один и тот же ток.

Параллельное соединение ветвей , при котором все ветви присоединяются к одной паре узлов и на всех ветвях имеется одно напряжение (U).

Смешанное соединение – сочетание последовательного и параллельного соединений.

Контур ЭЦ – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Рисунок 4- Изображение элементов электрической сети

Напряжение на участке цепи.

Под напряжением на неко­тором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка.

На рис. 5 изображен участок цепи, крайние точки которого обозначены буквами а и b. Пусть ток течет от точки а к точке b (от более высокого потенциала к более низкому).

Рисунок 5- Изображение участка электрической сети

Следовательно, потенциал точки а выше потенциала точки b на величину, равную произведению тока на сопротивление:

В соответствии с определением напряжение меж­ду точками а и b

Следовательно, напряжение на сопротивлении равно произведению тока, протекающего по сопротивлению, на величину этого сопротивления.

В электротехнике разность потенциалов на концах сопротивления принято называть либо напряжением на сопротивлении, либо паде­нием напряжения. В дальнейшем разность потенциалов на концах сопротивления.

Положительное направление падения напряжения на каком-либо участке (направление отсчета этого напряжения), указываемоена.рисунках стрелкой, совпадает с положительным направлением отсчета тока, протекающего по данному сопротивлению.

Рассмотрим вопрос о напряжении на участке цепи, содержащем не только сопротивление, но и ЭДС

Рисунок 6- Изображение участка электрической сети с ЭДС

На рис. 6, а, б показаны участки некоторых цепей, по которым протекает ток. Найдем разность потенциалов (напряжение) между точками а и с для этих участков.

для рис. 6. а

φ_а=φ_с-E+IR,

U_ac=φ_a-φ_c=IR-E (1a)

для рис. 6. б

φ_а=φ_с+E+IR,

U_ac=φ_a-φ_c=IR+E (1б)

Положительное направление напряжения и_ас показывают стрел­кой от а к с.