Общие сведения об электрических цепях и их элементах

Как известно, направленное движение электрических зарядов называетсяэлектрическим током. Для получения электрического тока необходимо создать замкнутый электрический контур (электрическую цепь), состоящую изисточника (генератора)электрической энергии иэлектроприемника(нагрузки),соединенных с помощью проводников(линии электропередачи). Таким образом,электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих генерирование, передачу и использование (преобразование) электрической энергии [1,2].

Отдельные устройства, составляющие электрическую цепь и выполняющие в ней определенную функцию, называются элементами электрической цепи. В источниках (генераторах) различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию. Например, электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию, поступающую от первичного двигателя (турбины), в электрическую энергию. Гальванические элементы (электрические батареи)и аккумуляторы преобразуют химическую энергию в электрическую, термогенераторы (термопары)тепловую энергию − в электрическую, фотоэлементы (солнечные батареи)энергию излучения − в электрическую и т.д. Электроприемники (нагрузка), наоборот, преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии, а именно: электродвигатели − в механическую, лампы накаливания и газоразрядные −в световую, аккумуляторы − в химическую, электронагреватели − в тепловую и т.д.

Наряду с основными элементами цепи: источниками, электроприемниками и соединительными проводами, реальные электрические цепи содержат различные вспомогательные элементы: коммутационную аппаратуру, служащую для включения и отключения отдельных участков цепи, электроизмерительные приборы, защитные устройства, а также преобразующие устройства в виде трансформаторов, выпрямителей и инверторов, которые позволяют рационально и надежно передавать электроэнергию на дальние расстояния и распределять ее между потребителями.

Условные графические обозначения основных и вспомогательных элементов и проводников на схемах электрической цепи показаны в табл. Приложения 2.

Свойства каждого элемента электрической цепи характеризуются егопараметрами. Свойство элемента поглощать энергию из электрической цепи и однонаправлено преобразовывать ее в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую) характеризует параметр – активное электрическое сопротивление R, Ом. Свойство элемента, состоящее в возникновении собственного магнитного поля при прохождении через элемент электрического тока, характеризует параметр –индуктивностьL, Гн. Свойство элемента накапливать заряды характеризует параметр – емкостьС, Ф. Реальные элементы цепи в общем случае обладают тремя параметрами – R, L, C.

В практической электротехнике одним или двумя параметрами конкретного элемента электрической цепи можно пренебречь. Так, катушку индуктивности (дроссель) на схеме замещения (рис. 1.2,б) можно представить в виде элемента, обладающего индуктивностью L и активным сопротивлением R, пренебрегая межвитковой емкостью С. В некоторых случаях пренебрегают и активным сопротивлением катушки ввиду его малости, оставляя на схемах замещения только один параметр – индуктивность L. Элементы цепи, характеризуемые только одним параметром (R,Lили С) называют идеальными.

Электрические цепи принято изображать в виде различного рода схем, на которых показывают основные и вспомогательные элементы и их соединения. Чаще всего пользуются тремя видами схем: монтажными, принципиальными и замещения.

На монтажных схемах изображают чертежи (эскиз) элементов цепи, соединительные провода и места соединений. В большинстве случаев монтажными схемами пользуются при изготовлении, монтаже и ремонте электрических устройств и цепей.

На принципиальныхсхемах (простейшие из которых представлены на рис. 1.1,а и рис. 1.2,а) показывают условные графические изображения основных и вспомогательных элементов и схему их соединения, дающую представление о принципах работы цепи (установки) при измерении, наладке и ремонте электрических цепей и электротехнических устройств.

Схема замещения (см. рис. 1.1,б и рис. 1.2,б) – это расчетная модель, предназначенная для исследования реальных электрических цепей и устройств.

а) б)

Рис. 1.1. Простейшая цепь постоянного тока

а) – принципиальная схема; б) – схема замещения

а) б)

Рис. 1.2. Простейшая цепь переменного тока с катушкой индуктивности (дросселем)

а) – принципиальная схема;б) – схема замещения

На схеме замещения реальные элементы замещаются эквивалентными расчетными моделями (идеализированными элементами) и из схем исключаются все вспомогательные элементы, не влияющие на результаты расчета. Так, например, из сравнения рис. 1.1,а и 1.1,б видно, что электрическая батарея, изображенная на принципиальной схеме, представлена на схеме замещения в виде источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением R_В. У вольтметра V собственное сопротивление принимается бесконечно большим, а у амперметра A– равным нулю, и поэтому они не влияют на работу цепи и не присутствуют на схеме замещения. Лампа накаливания Л, преобразующая электрическую энергию в энергию тепла и света (электромагнитное излучение с разными длинами волн) заменяется идеализированным элементом с одним параметром – активным сопротивлением R_Н.

Помимо монтажных схем, принципиальных схем и схем замещения, в электротехнике используют специализированные схемы различного назначения: общие, структурные, функциональные, схемы подключения, схемы расположения и т.д.

По виду тока цепи разделяются на цепи постоянного тока, изменяющегося во времени тока и переменного тока. Постоянный ток – это ток, не изменяющийся по величине в достаточно большом промежутке времени. Под переменным током в общем случае понимают периодический во времени ток, изменяющийся в пределах каждого периода по одному закону. В электротехнике, в основном, используется переменный ток, изменяющийся во времени по синусоидальному закону. Поэтому, под цепями переменного тока подразумевают именно цепи с синусоидальным изменением тока, а слово «синусоидальный» часто опускают.

Схема замещения электрической цепи, через все участки которой проходит один и тот же ток, представляет собой последовательное соединение электроприемников. Пример такой схемы дан на рис. 1.2,б и на схемах замещения в работах 2а и 2б. Припараллельном соединении электроприемников они всегда находятся под одним и тем же напряжением, как показано на схемах замещения в работах 3а и 3б. Если приемники соединены последовательно и параллельно, то такая схема называетсясмешанным соединением электроприемников.

При анализе сложных электрических цепей пользуются понятиями ветвь, узел и контур. Ветвь– это участок электрической цепи с последовательно соединенными элементами, через которые протекает один и тот же ток.Узел электрической цепи – место соединения трех и более ветвей. Контур – любой замкнутый путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке. Простейшая электрическая цепь (рис. 1.1,б, 1.2,б), когда во всех элементах проходит один и тот же ток, называетсяодноконтурной(последовательной). Электрическая цепь, содержащая параллельное или смешанное соединение ветвей, называется разветвленной и является многоконтурной.