26 1. Основные положения Как видно из рис. 1.11 и1.12 ВАХ идеальных источников ЭДС и тока не пересекают оси тока и напряжения соответственно. Это говорит о том, что идеальный источник ЭДС не может находится в режиме короткого замыкания (в этом случае мы получимiкз = ∞, откудаp =ui = ∞, что не имеет физического смысла), а идеальный источник тока в режиме холостого хода (в этом случае мы получимuхх = ∞, откудаp =ui = ∞, что не имеет физического смысла). Таким образом, для моделирования источника напряжения (так, обычно, называют реальный источник ЭДС) нам необходимо добавить последовательно включённый с источником ЭДС резистивный элемент с сопротивлением Rвн (который характеризует внутреннее сопротивление источника), ограничивающий ток через источник ЭДС, а для моделирование реального источника тока нам необходимо добавить параллельно включённый с источником тока резистивный элемент с проводимостьюGвн (характеризует внутреннюю проводимость источника), ограничивающий падение напряжения на источнике тока. Схемы замещения реальных источников напряжения и тока и их ВАХ приведены на рис. 1.13 и1.14. Источник напряжения используется в качестве схемы замещения источников электрической энергии, внутреннее сопротивление которых много меньше сопротивления нагрузки (Rвн Rн, это наиболее распостранённый случай, соответствующий, например, гальваническим элементам и индуктивным генераторам), противном случае (Rвн Rн, характерно для емкостных генераторов и полупроводниковых устройств, работающих в соответствующих режимах) используется источник тока. Следует отметить, что при анализе электрической цепи широко практикуется взаимное преобразование источников тока и напряжения. Целью этих преобразований является исключительно упрощение математических расчётов и они не несут в себе физического смысла. 1.2. Элементы электрической цепи замещения 27 Схема замещения реального элемента электрической цепи характеризует протекающие в нём физические процессы, т. е. является математической моделью элемента. Сложность схемы замещения определяется необходимой точностью расчётов, конструктивными особенностями реального элемента и характером протекающего тока. Обычно в качестве основного критерия выступает частота тока––чем выше частота, тем выше роль процессов связанных с преобразованием энергии электрического и магнитного полей и сложнее схема замещения. Выбор схемы замещения является весьма сложной задачей, требующей глубокого понимания процессов протекающих не только в самом элементе, но и их влияния на цепь в целом. Рассмотрим схемы замещения наиболее распространённых пассивных элементов: резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Резистор Характеристики идеального резистора будут соответствовать резистивному элементу схемы замещения. Реальные резисторы, в основной массе случаев, достаточно хорошо отвечают этой модели, однако при необходимости более точных расчётов, особенно на высоких частотах, становится необходимым учитывать индуктивность проволоки (для проволочных резисторов), а также её барьерную ёмкость (рис. 1.15). На сверхвысоких частотах резко возрастает роль индуктивности и ёмкости выводов резистора. Если резистор выполнен в виде катушки, то индуктивная составляющая будет играть значительную роль уже на сравнительно низких частотах. Конденсатор Характеристики идеального конденсатора будут соответствовать емкостному элементу схемы замещения. Реальные конденсаторы, в основной массе случаев, достаточно хорошо отвечают этой модели, однако при необходимости более точных расчётов, особенно на высоких напряжениях, становится необходимым учитывать неидеальность диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора, которая характеризуется током утечки и на схеме 28 1. Основные положения Рис. 1.15. Схема замещения резистораа ––на низких частотах;б ––на высоких частотах Cп иLп ––паразитные емкостная и индуктивная составляющие замещения представлена в виде резистивного элемента, подключенного параллельно к емкостному (рис. 1.16). На сверхвысоких частотах резко возрастает роль индуктивности и ёмкости выводов конденсатора. Рис. 1.16. Схема замещения конденсатора а––на низких частотах;б ––на высоких частотахRп ––паразитная резистивная составляющие Катушка индуктивности Характеристики идеальной катушки индуктивности будут соответствовать индуктивному элементу схемы замещения. Реальные катушки индуктивности намотаны из провода, имеющего ненулевое удельное сопротивление, таким образом, чем больше витков содержит катушка, тем будет выше её активное сопротивление, которое, обычно, необходимо учитывать во всём диапазоне частот (следует отметить, что на постоянном токе индуктивная составляющая катушки будет равна нулю, и в качестве схемы замещения можно ис- studfiles.net Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону. Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по их назначению можно разделить на 3 группы. Первую группу составляют элементы, предназначенные для выработки электроэнергии (источники питания). Вторая группа — элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.). Эти элементы называются приемниками электрической энергии (электроприемниками). В третью группу входят элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к электроприемнику (провода, устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения, и др.). Источники питания цепи постоянного тока — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи. Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные — напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В. Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической цепи. В таблице показаны условные обозначения, применяемые при изображении электрических схем. Условные обозначения в электросхемах Участок электроцепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электроцепи называется узлом. На электросхемах узел обозначается точкой. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему, сложные электрические цепи — несколько контуров. Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах. Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения. Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество. Режим холостого хода — это режим, при котором тока в цепи нет. Такая ситуация может возникнуть при разрыве цепи. Номинальный режим бывает, когда источник питания или любой другой элемент цепи работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в паспорте данного электротехнического устройства. Эти значения соответствуют самым оптимальным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и пр. Режим короткого замыкания — это режим, когда сопротивление приемника равно нулю, что соответствует соединению положительного и отрицательного зажимов источника питания с нулевым сопротивлением. Ток короткого замыкания может достигать больших значений, во много раз превышая номинальный ток. Поэтому режим короткого замыкания для большинства электроустановок является аварийным. Согласованный режим источника питания и внешней цепи возникает в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению. В этом случае ток в цепи в 2 раза меньше тока короткого замыкания. Самыми распространенными и простыми типами соединений в электрической цепи являются последовательное и параллельное соединение. es.novosibdom.ru Схемы электрической цепи, понятие параметров и элементов электрических цепей: Для начала вспомним определения: Параметрами электрической цепи называется величина, связывающая ток и напряжение на конкретном участке цепи (r – сопротивлением, рис. 1 а; L – индуктивностью, рис. 1 б; C – ёмкостью, рис. 1 в. ). Элементами электрической цепи называют отдельные устройства входящие в электрическую цепь и выполняющие в ней определённую функцию. Пример отдельных элементов и простой схемы электрической цепи: Рис.1 Схемы электрических цепей: При конструировании, монтаже и работе электрических установок (электрооборудования) нельзя обойтись без электрических схем. Электрические схемы по своему назначению различаются на несколько типов: структурные, функциональные, принципиальные, монтажные, однолинейные, и др. Принципиальная схема даёт полное представление о работе электроустановки, полный состав элементов и связи между ними. Схема электрической цепи – это графическое представление изображения электрической цепи, которая содержит условные обозначения элементов и соединение этих элементов. Условные обозначение в электрических схемах установлены стандартами системы ЕСКД. Различают последовательное и параллельное соединение элементов в схемах и электрических цепях. Сложные электрические схемы образуются в результате включения групп элементов соединенных между собой последовательно или параллельно (см. на рис. 2). Рис.2 Электродвижущая сила (ЭДС): Физические процессы получения электрической энергии различаются в зависимости от вида преобразуемой энергии, где главное различие состоит в природе сил, которые разделяют положительный и отрицательный заряды в веществе. На электрически заряженные частицы кроме сил электрического поля при определенных условиях действуют сторонние силы, обусловленные неэлектромагнитными процессами (тепловые процессы, химические реакции и т.д.) В результате действия сторонних сил в источнике электрической энергии происходит разделение электрических зарядов и образуется электродвижущая сила (ЭДС). Величина, характеризующая способность стороннего поля и индуцированного электрического поля вызывает электрический ток, называется электродвижущей силой. Для примера рассмотрим преобразование тепловой энергии в электрическую: В замкнутой цепи из двух разных металлов при одинаковой температуре (контактов 1 и 2) электрический ток не возникает, так как контактные разности потенциалов в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные стороны по цепи (см. рис. 3): Рис.3 energetik.com.ru Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока и предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования электрической и других видов энергии. Электромагнитные процессы, протекающие в устройствах электрической цепи, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (Э.Д.С.), токе и напряжении. Электрические цепи, в которых получение электрической энергии, её передача и преобразование происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, называют цепями постоянного тока. В таких цепях электрические и магнитные поля также не изменяются во времени. Так как токи и напряжения постоянны, то изменения этих величин во времени равны нулю: ;. Поэтому и напряжение на индуктивности UL, и ток через ёмкость, зависящие от изменения этих величин, также равны нулю: ; Из этого следует, что в индуктивности сопротивление постоянному току равно нулю, а ёмкость, наоборот, представляет собой бесконечно большое сопротивление. Поэтому в цепи постоянного тока катушка индуктивности представляет собой закоротку (обычный провод, сопротивлением которого можно пренебречь), а ёмкость (конденсатор) – представляет собой разрыв цепи. Основными элементами электрической цепи являются источники и приёмники электрической энергии, которые соединяются между собой проводами. В источниках электрической энергии (электромагнитные генераторы, гальванические элементы, термопреобразователи и др.) происходит преобразование механической, химической, тепловой и других видов энергии в электрическую. В приёмниках электрической энергии (электродвигатели, электротермические устройства, лампы накаливания, резисторы, электролизные ванны и др.), наоборот, электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую, химическую и др. Схема электрической цепи Графическое изображение реальной электрической цепи с помощью условных символов и знаков называется электрической схемой. Такая схема представляет собой идеализированную цепь, которая служит расчетной моделью реальной цепи и иногда называется эквивалентной схемой замещения. Эта схема по возможности должна отражать реальные процессы, происходящие в действительности. При проведении расчетов каждый реальный элемент цепи заменяется элементами схемы. В цепях постоянного тока чаще всего используют два основных элемента: источник энергии с Э.Д.С. Е c внутренним сопротивлением r0 и резистивный элемент (нагрузка) с сопротивлением R. Под внутренним сопротивлением генератора r0 понимают сопротивление электрическому току всех элементов внутри генератора. Сопротивление приёмникаR характеризует потребление электрической энергии, то есть превращение электрической энергии в другие виды с выделением мощности: Для проведения анализа электрической цепи важно выделить такие понятия, как ветвь, узел и контур. Ветвь – участок электрической цепи, образованный последовательно соединёнными элементами и характеризующийся собственным значением тока в данный момент времени. Узел – это точка соединения трёх и более ветвей (если на электрической схеме в месте пересечения двух линий стоит точка, то в этом месте есть электрическое соединение 2х линий, в противном случае его нет). Контур – замкнутая часть цепи, состоящая из нескольких ветвей и узлов. Различают такие понятия, как геометрический и потенциальный узел. На рис. 1.2 приведена схема электрической цепи, содержащей 4 геометрических узла, 3 потенциальных узла и 5 ветвей. Заземление любой точки схемы означает, что потенциал этой точки принят равным нулю. Токораспределение в такой схеме не изменяется, так как никаких новых ветвей, по которым могли бы протекать токи не образуется. Если же заземлить 2 точки схемы и более, то в этом случае в схеме токораспределение изменится. Активные элементы В линейных электрических цепях в качестве источников энергии различают источники Э.Д.С. и источники тока. Идеальный источник Э.Д.С. имеет неизменное Э.Д.С. и напряжение на выходных зажимах при всех токах нагрузки. У реального источника – Э.Д.С. и напряжение на зажимах изменяются при изменении нагрузки (например, вследствие падения напряжения в обмотках генератора). В электрической схеме это учитывается последовательным включением резистора r0. Идеальный источник напряжения изображен на рис. 1.3. Напряжение Uab зависит от тока приёмника и равно разности между Э.Д.С. генератора и падением напряжения на его внутреннем сопротивлении r0: . Ток, протекающий по цепи, также зависит от сопротивления нагрузки: . Если принять Э.Д.С. источника его внутреннее сопротивление и сопротивление приёмника не зависящими от тока и напряжения, то внешняя характеристика источника энергии U12 = f(I) и ВАХ приёмника Uab = f(I) будут линейными (рис. 1.4). По рис. 1.4 видно, что по мере нарастания тока в цепи напряжение на нагрузке возрастает, а, следовательно, уменьшается напряжение на выходных зажимах источника. Источник тока характеризуется бесконечным внутренним сопротивлением и бесконечным значением Э.Д.С., при этом выполняется равенство: Если r0>>RH и I0<<I, то есть источник энергии находится в режиме, близком к короткому замыканию, то можно принять ток I0=0. Такой источник с внутренним сопротивлением r0 = ∞ (g0=0) называют идеальным источником тока Пассивные элементы Основными пассивными элементами электрической цепи являются резистивные, индуктивные и емкостные. Рассмотрим их силовые характеристики при постоянном токе. Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и применяемое для ограничения тока, называется резистором. (рис. 1.9). Идеализированные модели резисторов называются резистивными элементами (при идеализации пренебрегают токами через изолирующие покрытия резисторов, каркасы проволочных резисторов и т. п.). Основной величиной, характеризующей резистор, является его сопротивление R, которое определяется из соотношения: называемого законом Ома. Сопротивление измеряется в Омах: [R] = [U\I] = В\А = Ом. К пассивным элементам относят также и индуктивный элемент - катушку индуктивностью L (Рис. 1.11). Катушкой называется обмотка изолированного провода, намотанного на каркас или без каркаса, имеющая выводы для присоединения. L – параметр, который определяет способность катушки создавать магнитное поле. Он зависит от геометрических параметров катушки, числа её витков и от магнитных свойств сердечника, на который намотана катушка. Из-за появления магнитного поля цепь будет пронизываться магнитным потоком. Для характеристики катушки индуктивности, как элемента электрической цепи достаточно вычислить потокосцеплениеψ. Индуктивность Lявляетсякоэффициентом пропорциональности между ψ и I: Между двумя любыми проводниками, разделёнными диэлектриком, существует электрическая ёмкость. Коэффициент пропорциональности С называют ёмкостью ; studfiles.net Энергетические процессы, происходящие в электротехнических устройствах, как правило, очень сложны, они связаны с созданием электромагнитных полей или изменением величин, характеризующих эти цепь постоянного тока \1.2.3.Схемы замещения реальных элементов электрической цепи. Элементы схемы электрической цепи
Схемы замещения реальных элементов электрической цепи
1.2.3.1. Активные элементы
1.2.3.2. Пассивные элементы
Электрические цепи и их элементы | Справочник
Схемы электрических цепей и ЭДС | энергетик
Электрическая цепь и её элементы
§ 1.3. Электрическая цепь и ее элементы
а) б)
Рис. 1.3. Обозначения коммутационных устройств на схемах:
а— однополюсного выключателя;б— переключателя;в— трехфазного рубильника
поля. Для их описания требуется привлечение векторных электрических и магнитных величин, характеризующих электромагнитные поля: напряженности электрического Е и магнитного Н полей, магнитной индукцииВ, плотности электрического токаJ и др. В последующих главах книги будут рассмотрены электромагнитные процессы ряда электротехнических устройств: электрических машин, аппаратов и приборов. Без такого рассмотрения нельзя понять принцип работы
этих устройств. Однако во многих случаях основные характеристики электротехнических устройств могут быть получены и описаны с помощью известных из курса физики интегральных понятий (скалярных величин): тока, электродвижущей силы (э. д. с.), напряжения. При таком описании совокупность электротехнических устройств рассматривают как электрическую цепь,, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых э. д. с. £,
Рис. 1.5. Схема электрической цепи,изображенной на рис. 1.4
током /, напряжением Uи электрическим сопротивлением постоянному токуR(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 электротехниче-. ских устройств применяют коммутационную аппаратуру (выключатели, рубильники, тумблеры). На рис. 1.3,а—впоказаны условные обозначения некоторых типов коммутационных элементов электрической цепи. Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощности. На рис. 1.4 показана простейшая электрическая цепь постоянного тока, состоящая из аккумуляторной батареи (источник), электрической лампы накаливания (приемник), выключателя, амперметра и соединительных проводов. Пользуясь стандартными условными графическими обозначениями элементов цепи, можно изобразить схему электрической цепи, представленную на рис. 1.5.§ 1.4. Схемы замещения электрических цепей
Основными характеристиками элементов электрических цепей являются зависимости их напряжения от тока. Такие зависимости называют вольт-амперными характеристиками (в. а. х.).
Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. Все источники электрической энергии являются активными элементами, они характеризуются определенным значением э. д. с. Приемники электрической энергии могут быть как пассивными, так и активными.
Пассивныминазывают приемники, в которых не возникает э. д. с. Вольт-амперные характеристики пассивных элементов проходят через начало координат — в отсутствие напряжения ток этих элементов равен нулю. Пассивные элементы характеризуются электрическим сопротивлением, которое у некоторых приемников зависит от приложенного напряжения, а у других не зависит. В первом случае приемники имеют нелинейные в. а. х. (рис.1.6, а), поэтому их называютнелинейными элементами(выпрямительные диоды, стабилитроны и др.). Анализ электрических цепей с нелинейными элементами будет дан в гл. 5. В этой главе рассматриваются
линеиные элементы электрической цепи, вольт-амперные характери- стики которых имеют вид, показанный на рис. 1.6, б. Сопротивление линейных элементов не зависит от напряжения. Строго говоря, таких приемников на практике не существует, так как при изменении на- пряжения изменяется ток, а следовательно, температура приемника,
поэтому с изменением темпе- ратуры будет изменяться и сопротивление проводника.
Однако во многих случаях эти изменения сопротивления в заданном диапазоне изме- нения тока столь незначитель- ны, что их можно не учиты- вать. К таким приемникам относят резисторы, реостаты и некоторые другие электро- технические устройства, рабо-
тающие в определенных условиях. Пассивный приемник, у которого со- противление принимается неизменным, называют пассивным линейным элеме н т ом электрической цепи. За- висимость напряжения от тока в таком элементе определяется за- коном Ома: U—RI, где R — сопротивление элемента.
При анализе электрических цепей очень часто интересуются лишь значениями токов, напряжений и мощностей, т. е. электриче- ским состоянием цепи. В этих случаях нет необходимости учитывать конкретное устройство пассивного приемника, важно знать лишь его параметр — сопротивление R. При таком анализе электрическую цепь заменяют схемой замещения, элементы которой соответствуют элементам цепи. При этом пассивный приемник заменяется резистив- ным элементом с изменяющимся сопротивлением (нелинейный эле- мент) или обладающим постоянным сопротивлением R, равным со- противлению приемника (линейный элемент). Условные графические обозначения нелинейного и линейного резистивных элементов приве- дены соответственно на рис. 1.6, в, г.
Вольт-амперные характеристики источников электрической энер- гии, которые часто называют внешними характеристи-
а) ‘ 6)
Рис. 1.8. Вольт-амперная характеристика (а) и условное обозначение (б) идеального источника э, д, с.
f
U
I
к а м и, также могут быть нелинейными и линейными (рис. 1.7, а, б). У большинства источников электрической энергии напряжение на их зажимах с ростом тока уменьшается за счет падения напряжения
а) 6) в) г)
Рис. 1.6. Нелинейная (а) и линейная (б) вольт-амперные характеристики приемников, условные обозначения нелинейного (в) и линейного (г) резистивных элементов
и
Рис. 1.7. Нелинейная (а) и линейная (б) внешние характеристики источников электрической энергии
на внутреннем сопротивлении RBT.Однако у некоторых из них внутреннее сопротивление настолько мало, что при определенных изменениях тока напряжение практически остается неизменным, равным напряжению холостого ходаUx, которое, в свою очередь, равно э. д. с.Е.Таким источникам электрической энергии на схемах замещения соответствуют идеальные источники э. д. с. В. а. х. идеального источника э. д. с. приведена на рис.1.8, а, а его условное графическое обозначение— на рис. 1.8, б. Поскольку напряжение источника в этом случае является неизменным (U—E), на схемах замещения вместо источника э. д. с. часто показывают зажимы, к которым приложено напряжениеU.
Внешняя характеристика реального источника электрической энергии (см. рис. 1.7) математически может быть описана уравнением
U= Е—RBTI. (1.1)
Есл» считать постоянными э. д. с. Еи внутреннее сопротивление /?вт, то этому уравнению соответствует схема замещения источника электрической энергии, состоящая из последовательно соединенных идеальных элементов: резистивного элемента с сопротивлением /?вхи источника э. д. с.Е(рис. 1.9,а).
а) . В) В)
Рис. 1.10. Вольт-амперная характеристика (а) и схема замещения (б) активного приемника ; схема замещения цепи, состоящей из последовательно соединенных источника электрической энергии и активного приемника (в)
Если к рассматриваемому источнику электрической энергии подключен пассивный приемник с линейной в. а. х., например нагрузочный резистор с сопротивлением Rн, то такую электрическую цепьв)
Рис. 1.9. Источник э. д. с* с внутренним сопротивлением (а) и схема замещения цепи, состоящей из последовательно соединенных источника электрической энергии и пассивного приемника (б)
можно представить в виде схемы замещения, состоящей из последовательно соединенных идеального источника э. д. с. Еи двух резистивных элементов с сопротивлениямиRBTиR н(рис.1.9, б).
Помимо пассивных в электротехнике часто применяют активные приемники, к которым относятся электрические двигатели, аккумуляторы в процессе их зарядки и др. При работе таких приемников в них возникают противо-э.д.с. Приложенное к приемнику напряжение уравновешивает противо-э.д.с. и падение напряжения на внут* реннем сопротивлении RBT.В. а. х. активного приемника изображена
на рис. 1.10,аи может быть математически описана уравнением
U=E+RBTI. (1.2)
Этому уравнению соответствует схема замещения, приведенная на рис. 1.10, б. Схема замещения цепи, состоящей из последовательно соединенных источника электрической энергии и активного приемника, изображена на рис. 1.10, в.Поскольку схемы замещения соответствуют математическому описанию реальных электрических цепей с определенными свойствами, их иногда называютматематическими моделями электрических цепей.
Применяя схемы замещения реальных электрических цепей, пользуются научными абстракциями, которые, как известно из курса марксистско-ленинской философии, позволяют, отвлекаясь от конкретных свойств объектов, выделить наиболее важные для раскрытия сущности какого-либо процесса или явления. Схемы замещения отображают свойства электрической цепи при определенных условиях. Одной и той же электрической цепи может соответствовать несколько различных схем замещения.
В схемах замещения электрических цепей используют универсальные обозначения источников и приемников электрической энергии независимо от вида энергии, преобразуемой в электрическую в источниках электрической энергии, и от вида энергии, в которую преобразуется электрическая энергия в приемниках. Следовательно, вместо многочисленных условных графических обозначений источников и приемников электрической энергии (см, рис. 1.1и1.2) в схемах замещения применяют единые обозначения источников э. д. с. и линейных резистивных элементов (см. рис. 1.8, б и 1.6, в,г).Резистивный элемент в схеме замещения учитывает любой элемент электрической цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в другой вид энергии.
Рассмотренные схемы замещения электрических цепей, состоящие из источников э. д. с. и резистивных элементов, не являются единственными. Действительно, внешняя характеристика источника электрической энергии, нагруженного на пассивный приемник с сопротивлением Rн, характеризуется не только наибольшим напряжениемих=Еуно и наибольшим током, который возникает в цепи в режиме короткого замыкания, т. е. при /?н=0. При этом ток в цепи, называемыйтоком короткого замыкания,ограничивается лишь внутренним сопротивлением источника:
I*=E/RBT. (1.3)
Если внутреннее сопротивление RnTисточника электрической энергии много больше сопротивления пассивного приемника (нагрузочного резистора)Rn,т. е. /?вх^>#н* то ток источника при измененииRн остается практически неизменным. Такой источник характеризуется внешней характеристикой, йриведенной на рис. 1.11,а.Источник электрической энергии с неизменным значением тока называетсяидеальным источником тока,его внутреннее сопротивление считается бесконечно большим. Условное графическое обо
значение идеального источника тока приведено на рис. 1.11, б. Если внутреннее сопротивление RBTисточника электрическойэнергии соизмеримо с сопротивлением нагрузочного резистораRн, то схема замещения такого источника может быть составлена из идеального источника токаJи резистивного элемента с сопротивлениемRBT.
а) б) в) ' \ '
'/г
Для получения схемы замещения преобразуем уравнение (1.1) для источника электрической энергии, разделив все его члены наR^:U/RBT = E/RST-I (1.4)
или
Рис. 1.11. Внешняя характеристика (а), условное обозначение идеального / = /к—U/RBt = Ik—SbjU*
источника тока (б)и схема источника
тока с внутренней проводимостьюgBT(в) гдеgBT— электрическая проводимость источника.
Уравнению (1.4) соответствует схема замещения рис. 1.11, в, состоящая из параллельно соединенных идеального источника тока J=IKи резистивного элемента с сопротивлением /?втили проводимостьюgBT.
Необходимо отметить, что обе схемы замещения реальных источников электрической энергии (см. рис. 1.9, аи 1.11,в)являютсяэквивалентными(они имеют одну и ту же вольт-амперную характеристику) с точки зрения токов, напряжений и мощностей во внешних участках электрической цепи. Мощности же внутри источников э. д. с. и токов в общем случае не равны, они равны лишь в случае равенства внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузочного устройства, т. е. приRBT=RH.
Пользуясь такими идеализированными представлениями, как «источник тока» и «источник э. д. с.», мы основываемся на указаниях В. И. Ленина о раздвоении единого с целью его познания и вскрытия причинно-следственных связей между различными явлениями. Так, при использовании понятия «источник тока» ток рассматривается как причина, а напряжение как следствие, а во втором случае — наоборот.
Для однозначности описания процессов, происходящих в каком- либо элементе цепи, необходимо знать не только значения его тока и напряжения, но также их направления в каждом элементе. Стрелки, поставленные на схемах замещения, указывают положительные направления э. д. с., напряжений и токов, т. е. такие направления, для которых значения обозначенных величин положительны. Из физики известно, что за положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, за положительное направление э. д. с.— направление действия сторонних сил на положительный заряд, за положительное направление напряжения — направление убывания потенциала. Так как положительные заряды внутри источника движутся в направлении сторонних сил, а в приемнике — в направлении убывания потенциала, то положительные направления тока и э. д. с. источника тока и напряжения приемника совпадают.
Положительное направление напряжения на внешних зажимах источника противоположно положительному направлению тока источи ника.
studfiles.net
Элементы электрической цепи
Известно, что электрическая цепь представляет собой совокупность различных устройств. Они обеспечивают протекание электрического тока, большинство процессов в них можно охарактеризовать различными величинами, такими, как напряжение, сила тока, сопротивление.
Исходя из вышенаписанного, можно сказать, что электрическая цепь – это совокупность определённых объектов и устройств, которые выступают как «путь» для протекания электрического тока. В электрической цепи могут протекать различные токи, как постоянные, так и переменные. Электрические цепи можно часто встретить в их графическом изображении - электрические схемы, в них указываются все присутствуютвующие в цепи элементы.
Разновидности электрических цепей
Они могут разделяться по своему строению, выделяют два основных вида: разветвлённые и неразветвлённые. Первый вид условно можно отнести к простым видам цепей. В таких электрических цепях протекает одинаковый по силе ток. Разветвлённые цепи отличаются достаточно простым, прямолинейным видом. В них, как правило, небольшое количество элементов.
Однако, и разветвлённые цепи также могут простыми, это совсем не значит, что они сложны по своему строению. Разветвлённость цепи лишь предполагает наличие узлов и ветвей в ней.
Ветвь – это заключённый между двумя узлами участок электрической цепи, элементы которого соединены последовательно. Сила тока в ветвях разветвлённых цепей может быть разная. Узел – место соединения в электрической цепи не менее трех ветвей.
Другой отличительной характеристикой цепей друг от друга, является их линейность или нелинейность. Если в цепи содержатся нелинейные элементы, то и цепь, соответственно, называют нелинейной. К таким элементам можно отнести элементы, которые обладают нелинейными вольт-амперными или кулон-вольтными характеристиками. Если в цепи имеется хотя бы один такой элемент, то и вся цепь относится к категории нелинейных.
Линейные цепи не содержат подобных элементов, в них не содержатся только такие элементы как конденсаторы, резисторы, катушки-индуктивности. Также под линейными цепями могут пониматься цепи, в которых содержаться электронные устройства с определёнными диапазонами характеристик, т. е. эти характеристики линейные. Это могут быть различные усилители, другие устройства с активными элементами и прочее.
Основные группы элементов электрической цепи
Как уже было сказано ранее, в электрической цепи обязательно присутствуют самые различные элементы, несущие свои какие-либо функции. Все их можно условно разделить на 3 группы:
Первая группа элементов – это источники питания. Сюда относятся все устройства, которые служат для питания электрической цепи. Это различные аккумуляторы, гальванические элементы, термоэлектрические и электромеханические генераторы и т. д. Они обеспечивают питание электрической цепи, их особенность в том, что их внутреннее сопротивление невелико, если сравнить его с сопротивлением остальных элементов электрической цепи.
Вторая группа элементов – собственно, нагрузка, включает все устройства, которые преобразуют электрическую энергию в любые другие её виды: механическую, тепловую, световую и т. д. Устройства этой группы также называют электроприёмниками. К электроприёмникам можно отнести различные устройства, механизмы, такие как электродвигатели, осветительные приборы, нагреватели и прочее. Их основные характеристики – это напряжение и мощность. Для того чтобы прибор работал в нормальном режиме, на его концах, клеммах, нужно всегда поддерживать нужное стабильное напряжение.
Третья группа элементов состоит из коммутационных элементов, предназначенных для передачи электрической энергии от источников питания (элементов первой группы) к электроприёмникам (элементам второй группы). Сюда относятся провода, различные устройства, поддерживающие напряжение и силу тока, устройства измерения, защиты и т. д.
Особенности соединения элементов электрической цепи
Разумеется, все элементы электрической цепи взаимодействуют между собой, т. к., обязательно соединены. Выделяют два вида соединений: последовательное и параллельное:
При последовательном подключении все элементы строго идут друг за другом – «конец» одного элемента соединён с «началом» другого, который таким-же образом соединяется со следующим элементом. В этом случае нельзя получить разветвлённую цепь. Параллельная цепь имеет разветвления, так что это более сложная и распространённая электрическая цепь.
volt220.ru
Поделиться с друзьями: