Глава 1 основные понятия и определения электрических цепей
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:
; (1.1)
. (1.2)
Поэтому и напряжение на индуктивности UL, и ток через ёмкость, зависящие от изменения этих величин, также равны нулю:
; (1.3)
. (1.4)
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.
Сопротивление приёмника R характеризует потребление электрической энергии, то есть превращение электрической энергии в другие виды с выделением мощности:
. (1.5)
Источник Э.Д.С. изображают в виде окружности диаметром 10мм со стрелкой внутри, которая указывает положительное направление Э.Д.С. (или направление увеличения потенциала).
Резистивный элемент принято изображать в виде прямоугольника размером 10 x 4 мм.
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.
При проведении расчетов электрических цепей в электротехнике пользуются некоторыми упрощенными моделями:
1. Резистор рассматривается как линейный элемент с сопротивлением R величина которого остаётся постоянной. Однако в действительности при прохождении тока через резистор происходит выделение тепла, что приводит к нагреванию самого резистора и, следовательно, к изменению его сопротивления. Это изменение описывается следующим соотношением:
, (1.6)
где α – температурный коэффициент сопротивления, 1/град;
и – сопротивление резистора при начальной и конечной температуре соответственно, Ом;
– начальная температура,;
–конечная температура, .
Для приближенных расчетов температурный коэффициент сопротивления чистых металлов можно считать равным 0,004 град-1.
2. Сопротивлением соединительных проводов часто пренебрегают (если их длина невелика < 10 м), а если учитывают, то считают сосредоточенным в одном месте.
, (1.7)
где R – сопротивление проводника, Ом;
ρ – удельное сопротивление проводника, Ом мм2/м;
l – длина проводника, м;
S – поперечное сечение проводника, мм2.
Сечение
проводника стандартизовано и выбирается
из следующего ряда: 0,5; 1,5; 2,5; 4; 6; 10;16; 25;
25; 35; 50; 75; 90; 120мм
При рассмотрении электрических цепей совокупность сопротивлений резисторов, соединённых произвольным образом, целесообразно представить в виде одного резистора, обладающего эквивалентным сопротивлением Rэ.
Такой
элемент, заменяющий часть цепи и
имеющий два входных зажима называется пассивным
двухполюсником.
Если выделенная часть цепи содержит источник Э.Д.С. или тока, то соответствующий эквивалентный элемент будет называться активным двухполюсником.
На схемах необходимо указывать положительное направление Э.Д.С. и токов. Это нужно для того, чтобы при проведении расчетов по тем или иным методам было возможным составить необходимые уравнения.
В цепях постоянного тока с одним источником электрической энергии эти направления легко определить при заданной полярности источника (ток на нагрузке течет от плюса к минусу).
В сложных цепях направления токов и напряжений на отдельных участках сразу определить трудно. Поэтому для составления необходимых уравнений, из которых найдутся токи и напряжения участков цепи, эти направления задают произвольно.
Если после решения уравнений значения тока или напряжения для участка цепи окажется отрицательным, то это означает, что в действительности этот ток и напряжение имеют другое направление.
Для цепей переменного тока также указывают условные положительные направления, хотя и токи, и напряжения изменяются во времени.
Электрические цепи постоянного тока. Основные понятия и определения
Похожие презентации:
Электрические цепи постоянного тока
Электротехника. Электрические цепи постоянного тока. Основные понятия
Электрические цепи постоянного тока
Электротехника и электроника. Электрические цепи постоянного тока. (Лекция 1)
Электрические цепи постоянного тока. (Лекция 1)
Линейные электрические цепи постоянного тока. (Лекция 1)
Линейные цепи постоянного тока
Электрические машины постоянного тока
Электрические цепи постоянного тока
Электрические цепи синусоидального тока. Лекция 2
1. Электротехника и электроника
Доцент Габриелян Ш.Ж.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1 Основные понятия иопределения
3. Электрическая цепь
Электрическая цепь – совокупностьсоединенных проводами элементов,
образующая путь для электрического
тока при условии, что
электромагнитные процессы могут
быть описаны с помощью понятий о
токе, электродвижущей силе (ЭДС) и
напряжении.
4. Элемент электрической цепи
Элемент электрической цепи —отдельное устройство, входящее в
состав цепи и выполняющее в ней
определенную функцию,
К основным элементам электрической
цепи относятся: резистор, индуктивная
катушка, конденсатор, источники тока и
ЭДС.
5. Схема электрической цепи
Схема электрической цепи — этографическое изображение цепи с
помощью условных обозначений ее
элементов и их соединений.
6. Электрический ток проводимости
Электрический ток проводимости — этоупорядоченное движение носителей
электрического заряда в веществе или
вакууме.
Ток определяется производной по времени t от
электрического заряда q, переносимого через
поперечное сечение проводника:
I(t) = dq/dt.
В системе СИ заряд q измеряется в кулонах
(Кл), время t—в секундах (с), ток i — в амперах
(А).
7. Направление тока
За направление тока I (t) принято направлениедвижения положительного заряда q
8.
Электрическое напряжениеЭлектрическое напряжение U(t) — это разностьφ1 и φ 2 между зажимами 1
и 2 участка цепи R, по которому проходит ток i(t),
электрических потенциалов
т. е. U(t)
= φ 1- φ 2.
9. Разность электрических потенциалов
Разность электрических потенциаловφ1 – φ2 определяется энергией W,
затрачиваемой на перемещение единицы
заряда q из точки 1 в точку 2, т. е.
U(t) = dW/dt.
В системе СИ энергия измеряется в
джоулях (Дж), а напряжение в вольтах (В).
10. Постоянные пассивные элементы: резистор (а), катушка индуктивности (б) и конденсатор (в)
11. Сопротивление (R, r)
Сопротивление (R, r) элемент цепи, в которомпроисходит необратимое
преобразование
электрической энергии в
тепловую, а напряжение
на его зажимах и ток
через него связаны
пропорциональной
зависимостью:
U = R ·i , R = U/i
.
12. Проводимость g
Величина, обратнаясопротивлению, называется
проводимостью:
g = 1/R, g = i/U.
Сопротивление R (или r)
измеряется в омах (Ом), а
проводимость g — в сименсах (См).
13. Индуктивность L
Индуктивность L —элемент цепи, в
магнитном поле которого
происходит обратимое
накопление энергии, а
напряжение на его
зажимах и ток через него
связаны через
производную:
UL = L · di/dt.
14. Потокосцепление Ψ
При протекании тока i через индуктивнуюкатушку с числом витков т в ней
возникают магнитный поток Ф и
потокосцепление:
Ψ = mΦ,
Ψ = L·I, L = Ψ/I.
В системе СИ потокосцепление Ψ
измеряется в веберах (Вб), индуктивность
L — в генри (Гн).
15. Емкость С
Емкость С —элемент цепи, в
электрическом поле
которого происходит
обратимое
накопление энергии, а
напряжение на его
зажимах и ток через
него связаны через
интегрирование:
Uc=1/C∫idt.
16. Заряд q
При прохождении тока через емкостныйэлемент (конденсатор) на его обкладках
накапливается заряд q, значение которого
пропорционально напряжению на зажимах
этого элемента, т. е.
q = C·Uc ,
где С— емкость, измеряемая в фарадах
(Ф).
17. Пассивные элементы с переменными параметрами
18. Пассивные нелинейные элементы
19. Вольтамперные характеристики линейного и нелинейного элементов электрической цепи
20. Активные электрические элементы
К активным элементам относятсяисточники энергии, которые могут
быть либо источниками
электродвижущей силы (ЭДС) или
напряжения, либо источниками
тока.
21. Электродвижущая сила ( ЭДС )
Под ЭДС понимается энергия вэлектрической цепи, необходимая
для поддержания в ней тока,
численно равная разности
потенциалов (напряжению) на
концах разомкнутой цепи.
22. Идеальный и реальный источники ЭДС
Идеальный источник ЭДС – источникэлектрической энергии, напряжение на
зажимах которого не зависит от
протекающего через него тока; при этом
принимается, что его внутреннее
сопротивление r= 0.
Реальные источники ЭДС
характеризуются наличием определенного
внутреннего сопротивления r > 0.
23. Обозначение и вольтамперные характеристики источников ЭДС: идеального (а) и реального (б)
24. Идеальный источник тока
Идеальный источник тока – это источникэлектрической энергии, ток которого не
зависит от напряжения на его зажимах;
при этом принимается, что его внутреннее
сопротивление r = ∞ .
Реальный источник тока характеризуется
конечным внутренним сопротивлением
r = 1/g
25. Обозначение и вольтамперные характеристики источников тока: идеального (а) и реального (б)
26. Топологические характеристики электрических цепей
При расчете электрической цепи важноезначение отводится ее геометрическому
образу, свойства которого основаны на
топологии — разделе математики,
позволяющим исследовать геометрические
свойства фигур независимо от их размеров и
прямолинейности.
К числу основных геометрических понятий из
топологии в теории электрических цепей
используются: ветвь, узел, контур, граф.
27. Ветвь электрической цепи
Ветвь– участок электрической
цепи, представляющий собой
один элемент или
последовательное соединение
нескольких элементов, через
которые протекает один и тот
же ток.
28. Узел электрической цепи
Узелэлектрической цепи —
место соединения не менее
трех ветвей; на схеме узел
обозначается точкой.
29. Контур электрической цепи
Контур электрической цепи — этолюбой замкнутый путь, проходящий
по нескольким ветвям.
30. Пример электрической цепи (а), имеющей 4 узла, 6 ветвей и три контура и ее топологический образ (б)
31. Граф цепи, узел и ветвь графа
Граф цепи — это такое изображение ее схемы,на котором все узлы заменены точками, а ветви
— линиями.
Узел графа — точка соединения трех и более
ветвей.
Ветвь графа — это ветвь схемы цепи,
вырожденная в линию. Она образуется лишь из
ветвей цепи, содержащих такие элементы, как R,
L и С.
Ветвь цепи, содержащая лишь идеальные
источники энергии, не образует ветви на графе.
32. Электрическая цепь с идеальным источником энергии(а)и ее топологический образ (б)
33. Дерево и хорда графа
Дерево графа — любаясовокупность ветвей графа,
соединяющих все его узлы без
образования контуров.
Хорда графа – ветвь графа, не
принадлежащая его дереву.
34. Разновидности деревьев (сплошные линии) и хорд (пунктирные линии) для приведенного графа
English Русский Правила
Введение в цепи постоянного тока | Электрическое напряжение и ток
Краткое описание
Введение
Цепь переменного или постоянного тока представляет собой комбинацию активных элементов (источники питания) и пассивных элементов (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности). Таким образом, теория или анализ цепей помогает понять поведение или характеристики цепи, определяя напряжения и токи в различных элементах цепи с использованием различных методов. Итак, давайте вкратце обсудим основные концепции электричества, прежде чем мы сможем заняться теорией цепей постоянного тока в последующих статьях.
[адсенс1]
Основная концепция электричества
Согласно атомной теории, каждый материал состоит из атомов. Этот атом состоит из центрально заряженного ядра с окруженными электронами на основе модели атома Нильса Бора. Ядро состоит из нейтронов и положительно заряженных протонов. Электроны являются отрицательно заряженными частицами и вращаются вокруг ядра. Этот атом имеет равное количество протонов и электронов, и между этими противоположными зарядами существует большая сила притяжения, в результате чего электроны следят за ядром.
Модель Бора дает распределение электронов в каждой оболочке атома. Самое главное, что валентная оболочка, которая является самой удаленной от ядра клеткой, состоит из восьми электронов и не более того. Эти электроны находятся на максимальном расстоянии от ядра, поэтому требуется некоторая дополнительная энергия, чтобы освободить эти электроны. Этот поток электронов дает электричество. Но количество электронов в самой внешней валентной оболочке определяет поток электричества, потому что энергия оболочки делится между электронами в ней. Каждый электрон имеет одну восьмерку энергии оболочки, если эта валентная оболочка имеет восемь электронов.
Следовательно, требуется большое количество внешней энергии, чтобы освободить электроны и произвести электричество. Обычно материалы, не имеющие свободных электронов в самой внешней ячейке, называются изоляторами. Обычно изоляторы имеют от пяти до семи валентных электронов в валентной оболочке. С другой стороны, материалы с одним валентным электроном требуют небольшой энергии для освобождения электронов, так что возникает ток, и материалы называются проводниками. Обычно проводники имеют два или три валентных электрона. Эти хорошие проводники включают серебро, медь, алюминий, золото и т. д. До этого материалы с четырьмя валентными электронами, обладающие свойствами как проводника, так и изолятора, назывались полупроводниками.
Как следует из приведенной выше атомной теории, поток электронов дает электричество. Мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Разделение зарядов приводит к тому, что отрицательные заряды накапливаются на одном выводе, а положительные заряды – на другом выводе с применением источника. Ток начинает течь, когда путь проложен между этими двумя зарядами. Единицей заряда является кулон, и он имеет заряд 6,25 X 10 18 электронов. Приложенная внешняя сила или напряжение заставляет заряд двигаться, и скорость, с которой поток заряда определяется величиной приложенного напряжения.
Введение в простую цепь постоянного тока и ее параметры
Мы знаем, что электричество бывает двух видов: переменный ток (AC) и постоянный ток (DC). Цепь, которая имеет дело с переменным током, называется цепью переменного тока, а цепь с источником постоянного тока называется цепью постоянного тока. На данный момент мы обсуждаем только цепь постоянного тока и ее теорию. Источник постоянного тока позволяет электричеству или току течь с неизменной полярностью, которая не меняется со временем. На рисунке ниже показана простая цепь постоянного тока, чтобы читатель мог ознакомиться с компонентами цепи постоянного тока и ее параметрами.
Вышеупомянутая цепь постоянного тока состоит из источника напряжения и сопротивления с определенным протеканием тока. Итак, дайте нам знать об этих параметрах вкратце.
[адсенс2]
1. Электрическое напряжение
Разность потенциалов между двумя точками или напряжение в электрической цепи — это количество энергии, необходимое для перемещения единицы заряда между двумя точками. Он измеряется в вольтах и обозначается буквой V, как показано на рисунке ниже. Это напряжение может быть как положительным, так и отрицательным и выражается в основном с помощью таких префиксов, как кВ, мВ, мкВ и т. д. для обозначения дольных частей напряжения. Батареи и генераторы являются наиболее часто используемыми источниками постоянного напряжения, которые могут производить постоянное напряжение от 1 В до 24 В постоянного тока для функционирования общих электронных схем.
2. Электрический ток
Это поток электронов или электрического заряда. Он измеряется в амперах или просто в амперах и обозначается буквой «I» или строчной буквой i. Этот электрический ток может быть постоянным или переменным. Постоянный ток (DC) протекает однонаправленно и, как правило, создается батареями, солнечными элементами, термопарами и т. д. В случае переменного тока движение электрического заряда периодически изменяется, как мы можем наблюдать в случае синусоиды.
Обычно в цепях направление тока обозначается буквой I или строчной буквой I с соответствующей стрелкой. Но это направление на самом деле указывает на обычный поток тока, а не на фактический поток электронов.
3. Разница между обычным и электронным потоком тока
Поток электронов от отрицательного вывода к положительному называется потоком электронного тока, тогда как от положительного вывода к отрицательному называется обычным потоком тока, как показано на рисунке.
Электроны всегда отталкиваются отрицательным зарядом, когда вывод соединен с отрицательным выводом батареи, и притягиваются к положительному выводу из-за положительного заряда. Следовательно, поток электронов от отрицательной клеммы к положительной клемме называется потоком электронного тока. Но обычный метод предположения о протекании тока – от положительного к отрицательному, поэтому это называется обычным протеканием тока. Условный ток указан на многих принципиальных схемах, а фактический ток потока электронов указан в случае описания отдельного тока.
Обычный ток возникает благодаря носителям положительного заряда. Обычный ток измеряется в направлении, противоположном направлению фактического потока электронов, что связано с наличием носителей отрицательного заряда (электронов), поэтому обычный ток всегда положительный. Он также измеряется в амперах.
Разница между обычным и реальным потоком электронов не влияет на результаты вычислений и поведение в реальном времени. Большинство концепций анализа результатов цепи постоянного тока не зависят от направления протекания тока. Тем не менее, обычный ток является стандартом и в основном следует ему.
4. Сопротивление
Сопротивление проводящего материала препятствует потоку электронов. Измеряется в омах и обозначается греческим символом Ом. В зависимости от номинала резистора в цепи определяется напряжение, подаваемое на цепь. Таким образом, сопротивление можно определить как напряжение, необходимое для цепи, обеспечивающей протекание тока силой 1 ампер. Это также называется законом Ома и записывается как R = V/I. Это означает, что если в цепи требуется 200 В для выработки тока 2 А, сопротивление должно составлять 100 Ом. Значение сопротивления всегда положительное. Резисторы могут быть постоянными или переменными резисторами, как показано на рисунке.
5. Электрическая мощность (P) и энергия
Мощностью называется работа, выполненная за заданный промежуток времени. В электрических цепях мощность в точности равна произведению напряжения на силу тока. Поскольку напряжение — это работа на единицу заряда, а ток — это скорость, с которой электроны движутся в цепи. Мощность измеряется в ваттах (Вт) и ее формула:
P = I x V
Согласно закону Ома,
R = V/I
V= IR
Подставляя в приведенное выше уравнение
P = (IR) R
P = I 2 R
Или также, подставляя I = V/R, мы можем получить
P= V x (V /R)
P= V 2 /R
Эти три возможные формулы используются для определения мощности, связанной с цепью.
Электроэнергия
Скорость потребления электроэнергии обычно называется электрической энергией. Энергия измеряется в ватт-секундах, как мощность измеряется в ваттах, а время в секундах. Часто она измеряется в киловатт-часах, как мы можем наблюдать в нашем домашнем электросчетчике.
Электрическая энергия = мощность × время
Пример задачи по расчету электрических параметров
Рассмотрим электрическую лампочку или лампу мощностью 100 Вт, подключенную к источнику питания 250 В. Найдите ток, протекающий в нагрузку, сопротивление лампы и энергию, рассеянную за две минуты.
Из формулы мощности мы знаем, что P = VI
Тогда ток, протекающий через лампу, I = 100/250
I = 0,4 А
Из закона Ома
Сопротивление R = V/I
R = 250/0,4
R = 625 Ом.
Энергия рассеивается,
E = мощность * Время
E = V * I * T
= 250 * 0,4 * (2 * 60)
= 12000 Вт-секунды
Это основные концепции электрической энергии которые необходимо знать, прежде чем иметь дело с любой электрической схемой. Зная эти основные понятия, можно легко анализировать любую схему. Надеемся, что мы дали некоторые ключевые моменты по каждому параметру электрической цепи. Любую дополнительную помощь по этой концепции или любые комментарии и предложения по этой статье вы можете прокомментировать ниже.
НАЗАД – СОВЕТЫ ПО ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ
Что такое цепь постоянного тока? Определение и типы
Определение: Замкнутая цепь, по которой протекает постоянный ток, называется цепью постоянного тока. Ток течет только в одном направлении и в основном используется в низковольтных приложениях. Резистор является основным компонентом цепи постоянного тока.
На рисунке ниже показана простая цепь постоянного тока, которая содержит источник постоянного тока (батарея), нагрузочную лампу, переключатель, соединительные провода и измерительные приборы, такие как амперметр и вольтметр. Нагрузочный резистор подключается последовательно, параллельно или последовательно. -параллельная комбинация согласно требованию.
Типы цепей постоянного тока
Электрические цепи постоянного тока в основном делятся на три группы. Это последовательная цепь постоянного тока, параллельная цепь постоянного тока, а также последовательная и параллельная цепь постоянного тока.
Последовательная цепь постоянного тока
Цепь, в которой есть источник постоянного тока и несколько резисторов, соединенных друг с другом таким образом, что через них протекает одинаковый ток, называется последовательной цепью постоянного тока. На рисунке ниже показана простая последовательная схема. В последовательной цепи резистор R 1 , R 2 и R 3 соединены последовательно при напряжении питания V вольт. Один и тот же ток I протекает через все три резистора. Если V 1 , V 2 и V 3 — падение напряжения на трех резисторах R 1 , R 2 и R 3 соответственно, тогда пусть R будет общим сопротивлением цепи, тогда полное сопротивление = сумма отдельных сопротивлений.
В схеме такого типа все лампы управляются одним выключателем и ими нельзя управлять по отдельности. Чаще всего эта схема применяется для декоративных целей, когда несколько низковольтных ламп соединены последовательно.
Параллельная цепь постоянного тока
Цепь, в которой источник постоянного тока и один конец всех резисторов соединены с общей точкой, а другой конец также соединен с другой общей точкой, так что через них протекает ток, называется параллельной цепью постоянного тока.
На рисунке показана простая параллельная схема. В этой схеме три резистора R 1 , R 2 и R 3 соединены параллельно при напряжении питания V вольт. Ток, протекающий через них, I 1 , I 2 и I 3 соответственно. Суммарный ток, потребляемый цепью. Пусть R будет полным или эффективным сопротивлением цепи, тогда величина, обратная общему сопротивлению, = сумма обратной величины индивидуального сопротивления.
Все сопротивление работает на одинаковое напряжение, поэтому все они соединены параллельно. Каждой из них можно управлять индивидуально с помощью отдельного переключателя.
Последовательно-параллельная цепь постоянного тока
Цепь, в которой последовательная и параллельная цепи соединены последовательно, называется последовательно-параллельной цепью.