Главная
Основные элементы электрической цепи постоянного тока – Элементы электрической цепи постоянного тока.

Основные элементы электрической цепи постоянного тока – Элементы электрической цепи постоянного тока.

Содержание

Элементы электрической цепи постоянного тока.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

  1. Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

  1. Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

  1. Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис.

  1. Источник эдс.

Исто́чник ЭДС (идеа́льный источник напряже́ния) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия. В простейшем случае ЭДС определена как константа, обычно обозначаемая буквой .

Свойства Идеальный источник напряжения

Рисунок 2. Реальный источник напряжения под нагрузкой

Рисунок 3. Нагрузочная характеристика идеального (синий) и реального (красный) источников.

Напряжение на выводах идеального источника напряжения не зависит от нагрузки . Ток определяется только сопротивлением внешней цепи :

Модель идеального источника напряжения используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Собственно идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, поскольку при стремлении сопротивления нагрузки к нулю отдаваемый ток и электрическая мощность неограниченно возрастают, что противоречит физической природе источника.

Реальный источник напряжения

В реальности, любой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением . Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение идеального источника ЭДС и внутреннего сопротивления .

На рисунке 3 приведены нагрузочные характеристики идеального источника напряжения (синяя линия) и реального источника напряжения (красная линия).

где

— падение напряжения на внутреннем сопротивлении;

— падение напряжения на нагрузке.

При коротком замыкании вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В этом случае ток короткого замыкания будет максимален. Зная напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление источника напряжения:

studfiles.net

1_Эл_цепи постоянного тока

Электротехника, электроника и электропривод

Лекция 1. Электрические цепи постоянного тока

Основные понятия и определения

Электрическая цепь – совокупность устройств и объектов, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью таких понятий, как электродвижущая сила (ЭДС), ток, напряжение, сопротивление.

Элемент электрической цепи – отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию.

Основные элементы электрической цепи – источники и приемники электроэнергии.

В источникахэлектроэнергии различные виды энергии (химическая – в гальванических элементах; механическая – в генераторах; световая; тепловая) преобразуются в электромагнитную или электрическую.

В приемникахэлектроэнергии электромагнитная энергия преобразуется в другие виды энергии (химическую – гальванические ванны; тепловую – нагревательные приборы; механическую – электрические двигатели).

Вспомогательные элементы электрической цепи – резисторы, емкости, индуктивности, выключатели, предохранители, измерительные приборы.

Условные графические обозначения:

источник напряжения или ЭДС

гальванический

элемент

выключатель

резистор

емкость

индуктивность

амперметр

вольтметр

Электрические цепи принято изображать в виде различных схем, на которых показываются основные и вспомогательные элементы и их соединения. Различают монтажные, принципиальные схемы и схемы замещения.

На монтажных схемах изображают рисунок (эскиз) элементов цепи и соединения проводов, на принципиальных – условное графическое изображение элементов и схему их соединения. Схема замещения – расчетная модель электрической цепи. На ней реальные элементы заменяются идеальными и исключаются все элементы, не влияющие на результаты расчета.

Классификация электрических цепей

  1. По виду тока (рис. 1):

а) цепи постоянного тока – электрический ток не изменяется во времени;

б) цепи переменного тока:

а) постоянный ток

б) переменный синусоидальный ток

в) переменный несинусоидальный ток

Рис. 1

  1. По характеру параметров элементов:

а) линейные цепи – цепи, у которых сопротивления не зависят от значений и направлений токов;

б) нелинейные.

  1. В зависимости от наличия или отсутствия источника электроэнергии:

а) активные – содержащие источники электроэнергии;

б) пассивные.

Топологические понятия теории электрических цепей

Топологические понятия электрических цепей рассмотрим на примере схемы рис. 2.

Ветвь электрической цепи – участок, элементы которого соединены друг за другом, т.е. последовательно. Ток в элементах один и тот же (adc,aeb).

Узел электрической цепи – место соединения ветвей (a,b,c).

Контур – любой замкнутый путь вдоль ветвей электрической цепи (cbadc,dabcd).

Рис. 2

Основные законы электрических цепей постоянного тока

Электрические цепи постоянного тока – цепи, в которых протекает электрический ток, не изменяющийся во времени ни по величине, ни по направлению. В электрических цепях действуют следующие основные законы: закон Ома и IиIIзаконы Кирхгофа

  1. Закон Ома.

а) Закон Ома для участка цепи без источника. Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка (рис. 3):

Рис. 3

б) Обобщенный закон Ома (для участка цепи с ЭДС) (рис. 4):

а)

б)

Рис. 4

Если направление тока в ветви совпадает с направлением ЭДС источника (рис. 4а), то

.

Если направление тока в ветви не совпадает с направлением ЭДС источника (рис. 4б), то .

  1. Законы Кирхгофа (рис. 5).

а)Iзакон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, при этом токи, одинаково направленные относительно узла, записываются с одинаковым знаком.

Для узла а:.

б) IIзакон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений любого контура равна алгебраической сумме ЭДС этого контура.

Правило знаков: падения напряжения записываются со знаком «+», если направления тока совпадает с направлением обхода контура; ЭДС записываются со знаком «+», если направления ЭДС и обхода контура совпадают.

Рассмотрим схему электрической цепи, приведенную на рис. 5. Направление обхода контура abca выберем по часовой стрелке. Тогда уравнение II закона Кирхгофа будет иметь следующий вид:

.

  1. Баланс мощности.

Мощность характеризует интенсивность преобразования энергии одного вида в другой за единицу времени.

Для цепи постоянного тока мощность источника: а приемника –, (=Вт). На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая источниками электроэнергии, должна быть равна сумме мощностей всех приемников и потерь в источниках из-за внутренних сопротивлений. При этом: если направление ЭДС и тока совпадают, то EI в сумме записываются со знаком «+». Для схемы рис. 5 при выбранных направлениях токов:

.

Методы расчета электрических цепей

Постановка задачи: в известной схеме цепи с заданными параметрами необходимо рассчитать токи, напряжения, мощности на отдельных участках. Для этого можно использовать следующие методы:

  • преобразования цепи;

  • непосредственного применения законов Кирхгофа;

  • контурных токов;

  • узловых потенциалов;

  • наложения;

  • эквивалентного генератора.

Будем рассматривать первых два метода.

  1. Метод преобразования цепи. Суть метода: если несколько последовательно или (и) параллельно включенных сопротивлений заменить одним, то распределение токов в электрической цепи не изменится.

а) Последовательное соединение резисторов. Сопротивления включены таким образом, что начало следующего сопротивления подключается к концу предыдущего (рис. 6).

Ток во всех последовательно соединенных элементах одинаков.

Заменим все последовательно соединенные резисторы одним эквивалентным(рис. 7.).

По II закону Кирхгофа:

;

;

т.е. при последовательном соединении резисторов эквивалентное сопротивление участка цепи равно сумме всех последовательно включенных сопротивлений.

б) Параллельное соединение резисторов. При этом соединении соединяются вместе одноименные зажимы резисторов (рис. 8).

Все элементы присоединяются к одной паре узлов. Поэтому ко всем элементам приложено одно и тоже напряжение U.

По Iзакону Кирхгофа:.

По закону Ома . Тогда.

Для эквивалентной схемы (см рис. 7): ; .

Величина , обратная сопротивлению, называется проводимостьюG.

; = Сименс (См).

Частный случай: параллельно соединены два резистора (рис. 9).

в) Взаимное преобразование звезды (рис.10а) и треугольник сопротивлений (рис. 10б).

– преобразование звезды сопротивлений в треугольник:

– преобразование “треугольника” сопротивлений в “звезду”:

  1. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа. Порядок расчета:

  • Определить число ветвей (т.е. токов) и узлов в схеме.

  • Произвольно выбрать условно-положительные направления токов. Общее число уравнений должно быть равно числу неизвестных токов.

  • Определить, сколько уравнений должно быть составлено по Iзакону Кирхгофа, а сколько – поIIзакону Кирхгофа.

  • Составить уравнения для узлов поIзакону Кирхгофа и длянезависимых контуров (отличающихся друг от друга хотя бы на одну ветвь) – поIIзакону Кирхгофа.

  • Решить система уравнений относительно токов. Если в результате ток получился отрицательным, то его действительное направление противоположно выбранному.

  • Проверить правильность решения задачи, составив уравнение баланса мощности и смоделировав электрическую цепь средствами моделирующего пакета ElectronicsWorkbench.

Примечание: если есть возможность, то перед составлением системы уравнений по законам Кирхгофа, следует преобразовать “треугольник” сопротивлений в соответствующую “звезду”.

studfiles.net

Вопрос №4. Понятие электрической цепи постоянного тока. Электродвижущая сила (20 мин.)

Одна из важнейших задач электротехники – передача электрической энергии на дальние и ближние расстояния. Этот процесс осуществляется по электрическим цепям.

Электрическая цепь – совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования электри­ческой энергии.

Электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, передающих и преобразующих элементов, приемников электроэнергии.

Источники электрической энергии осуществляют преобразо­вание в электрическую энергию каких-либо других видов энергии – механической (генераторах электрической энергии), тепловой (термопреобразователи), химической (аккумуляторы, гальванические элементы), световой (фотогенераторы) и др.

Приемники электрической энергии или потребители пре­образуют электроэнергию в другие виды энергии, например, в механическую (электродвигатели), тепловую (электрические печи, нагревательные приборы), химическую (электролизные ванны), световую (лампы накаливания).

Передающие элементы цепи служат для передачи электрической энергии от источников, рас­пределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств. К ним относятся коммутационная аппаратура (аппараты для включения и от­ключения цепи, предохранители), преобразующие устройства (трансформаторы), линии и измерительные приборы.

Классификация электрических цепей приведена в таблице 4.

Таблица 4

Классификация электрических цепей

По виду тока

Цепи постоянного тока

Цепи переменного тока

По содержанию элементов

Линейные цепи (содержат только линейные элементы)

Нелинейные цепи (содержат хотя бы один нелинейный элемент)

По конфигурации

Простые (содержат один источник питания и один контур)

Сложные (содержат два и более источников питания и контуров)

Неразветвленные (содержат один контур)

Разветвленные (содержат много контуров)

Основной задачей изучения электротехники является овладение методиками расчетов электрических цепей. Для того, чтобы произвести расчет реальной электрической цепи необходимо составить ее схемы (табл. 5).

Таблица 5

Электрическая схема

Эскизная

Принципиальная

Схема замещения

Реальное изображение электротехнических устройств и способов их соединения

1 – рубильник, 2 – лампа накаливания (приемник электрической энергии),

3 – аккумуляторная батарея (источник элек­трической энергии постоянного тока),

контролирующие приборы – амперметр (4) и вольтметр (5)

Графическое изображение цепи, в которой каждое электротехническое устройство заменено (согласно ГОСТам) его условным обозначением

Графическое отображение электрической цепи с использованием различных идеализированных элементов (источников питания, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.д.), выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы в цепи

Для того, чтобы выполнить расчет электрической цепи необходимо составить ее схему замещения. Элементами электрической цепи являются источники электрической энергии, активные и реактивные сопротивления.

Условные графические обозначения некоторых элементов электрической цепи приведены в табл. 6.

Таблица 6

Элемент электрической цепи

Условное

обозначение

Элемент

электрической цепи

Условное

обозначение

Термопара

Лампа накаливания сигнальная

Фотоэлемент

Катушка индуктивности

Гальванический элемент (ГЭ) или аккумулятор

Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником

Источник ЭДС

Источник тока

Батарея ГЭ или аккумуляторов

Конденсатор

Линия электрической связи

Конденсатор регулируемый

Узел цепи

Контакт выключателя

Заземление

Переключатель

Резистор

Штепсельный разъем

Реостат

Плавкий предохранитель

Реостат

Амперметр

Варистор (нелинейный резистор)

Вольтметр

Лампа накаливания осветительная

Ваттметр

Для описания электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур (рис. 17).

Ветвь – совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами. Это участок цепи, по которому протекает один и тот же ток. Ветвь по определению содержит элементы.

Узел – место соединения не менее трех ветвей.

Контур – замкнутый путь, про­ходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.

Контур называется элементарным, если содержит хотя бы одну ветвь, не входящую в другие выбранные контуры, и неэлементарным, если все ветви данного контура входят в другие выбранные контуры (рис. 18).

По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью. Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи, ограничено и определено.

Рис. 18

Например, укажите максимальное число контуров, которые можно образовать в этой цепи (рис. 19) с участием R1.

Рис. 19

Укажите максимальное число контуров, которые можно образовать в этой цепи (рис. 19).

Элементы электрической цепи подразделяются на: активные − источники электрической энергии и пассивные, т.е. не способные генерировать электрическую энергию (приемники электроэнергии).

Источник электрической энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротивления внешней и внутренней (внутреннего сопротивления самого источника) цепей (рис. 20). В сопротивлении происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Рис. 20

Чтобы в электрической цепи протекал ток, необходимо иметь разность потенциалов на зажимах цепи. Эту разность потенциалов создают источники электродвижущей силы. В каждом источнике электрической энергии действуют сторонние силы.

Сторонние силы – это силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов.

Например, сторонними силами являются:

  • в электрических генераторах – механическая сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле, в результате чего в проводнике возникает электродвижущая сила;

  • в химических источниках тока (гальванические элементы, аккумуляторы) – химическая реакция;

  • в термогенераторах – нагрев места спая двух разнородных металлов;

  • в фотоэлементах – действие светового потока на пластину цезия.

Сторонние силы перемещают внутри источников эклектической энергии электрические заряды, в результате чего энергия одного вида превращается в энергию другого вида. Если к источнику электрической энергии подключить приемники, то в цепи будет протекать электрический ток.

При существовании тока в электрической цепи источник совершает работу.

Электродвижущая сила источника (ЭДС) – работа, затрачиваемая сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от меньшего потенциала к большему. Единица измерения – Вольт.

где E – электродвижущая сила; А – работа, Дж; q – величина электрического заряда, Кл.

Таким образом, условное обозначение источника ЭДС включает два элемента. Первый из них кружок со стрелкой указывает, что в источнике есть ЭДС Е, стрелка показывает направление ЭДС. При этом ток в источнике за счет действия сторонних (не электрических) сил протекает от отрицательного зажима к положительному, от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим. Второй элемент с с сопротивлением rвн или иногда его обозначают r0 характеризует преобразование электроэнергии внутри источника в тепло, иными словами потери энергии внутри источника (рис. 21).

Рис. 21

Направление перемещения положительных зарядов, а следовательно, и направление тока, протекающего в замкнутой цепи, совпадает с направлением ЭДС. При протекании тока через участок, имеющий сопротивление, на концах этого участка возникают потенциалы φ1 и φ2, разность которых равна напряжению, падающему на этом участке U12 (рис. 22).

На каждом участке цепи (рис. 20) ток протекает от точки с большим потенциалом (φ1) к точке с меньшим потенциалом (φ2).

Рис. 22

Источниками постоянного тока являются генераторы постоянного тока, аккумуляторы и гальванические элементы (рис. 23).

а)

б)

в)

Рис. 23. Виды источников постоянного тока:

а) батарейка; б) генератор постоянного тока; в) аккумулятор

Постоянный ток применяется при электрохимическом получении алюминия, на городском и железнодорожном электротранспорте, в электронике, медицине и других областях на­уки и техники. В настоящее время быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные альтернативные источники электрической энергии постоянного тока – сол­нечные батареи, фотоэлементы, МГД-генераторы.

studfiles.net

Цепи постоянного тока Электрическая схема и ее элементы

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, распределения и взаимного преобразования электрической (электромагнитной) и других видов энергии, в которой процессы, протекающие в устройствах, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (ЭДС), токе и напряжении.

Основными элементами электрических цепей являются источники и приемники электрической энергии.

Кроме источников и приемников электрической энергии электрическая цепь содержит соединительные провода, защитную и коммутационную аппаратуру, измерительные приборы. В дальнейшем, при анализе электрических цепей, будем считать, что все эти элементы не влияют на токораспределение в цепи, а только выполняют функции коммутации, защиты или измерения.

Любая реальная электрическая цепь, состоящая из источников и потребителей электрической энергии, может быть представлена расчетной электрической схемой замещения.

Схемой электрической цепи называют графическое изображение электрической цепи, показывающее последовательность соединения ее участков и их характер.

При расчете сложной электрической цепи пользуются такими понятиями как ветвь, узел и контур.

Ветвьюэлектрической цепи и ее схемы называют участок цепи, который включен между двумя соседними узлами и по которому протекает один и тот же ток.

Узломцепи и ее схемы называется место соединения трех и более ветвей.

Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром. Элементарным или независимым контуром называется контур, отличающийся от любого другого контура хотя бы одним элементом.

Основные элементы электрической цепи

Основными элементами электрических цепей являются источники и приемники электрической энергии.

В источниках электрической энергии происходит преобразование различных видов энергии (механической, тепловой, химической и т.д.) в электрическую энергию.

Источники ЭДС, внутреннее сопротивление которых равно нулю, называют идеальными (рис. 1.1, а). Напряжение на зажимах такого источникаUEвсегда равно по величине ЭДС и не зависит от тока ветви.

Реальные источники ЭДС, обладают внутренним сопротивлением, отличным от нуля, на схеме замещения (рис. 1.1, б) их показывают в виде последовательного соединения идеального источника ЭДС и его внутреннего сопротивления. Напряжение реального источника ЭДС отличается от значения самой ЭДС на величину напряжения на ее внутреннем сопротивлении и определяется по формуле

Положительное направление напряжения UEна зажимах источника ЭДС показано на рис. 1.1.

В режиме холостого хода, когда ток в источнике отсутствует и напряжение на его внутреннем сопротивлении равно нулю, напряжение источника UEравно по величине ЭДС.

На рис. 1.2 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) идеальных и реальных источников ЭДС. На характеристиках можно видеть, что напряжение идеального источника ЭДС, внутреннее сопротивление которого равно нулю, не зависит от изменения нагрузки. Напряжение на зажимах реального источника ЭДС с увеличением тока в цепи уменьшается. И чем больше внутреннее сопротивление источника, тем больше это изменение.

Вприемниках происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии.

Все приемники электрической энергии характеризуются такой величиной, как электрическое сопротивление R. В том случае, если величина сопротивления не зависит от тока и напряжения (R=const), приемники называют линейными, и их вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна (рис. 1.3, а). Если же величина сопротивления зависит от тока или напряженияR=f(U,I), то такие приемники имеют нелинейную ВАХ (рис. 1.3, б) и называются нелинейными.

studfiles.net

Постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока: расчет

Постоянным током являются передвигающиеся в определенном направлении частицы с зарядом. По-другому ток можно назвать такими величинами, как сила тока или напряжение, которые являются постоянными и в направлении, и по значению.

Рассмотрим его характеристику, применение, а также электрические цепи постоянного тока. Ответим на вопросы, каким образом проводится исследование электрической цепи, как она рассчитывается и на некоторые другие.

От плюса к минусу или наоборот?

В источнике электроны передвигаются от минусового значения к плюсовому. Несмотря на то что все об этом знают, принято считать направление от плюса к минусу. Интересно почему? Нам объясняют, что так исторически сложилось. Но так ли это на самом деле? Ведь эта «история» сложилась в какой-то совершенно незначительный промежуток времени.

В постоянном токе действуют главные законы электротехники: закон Ома и законы Кирхгофа. Ток называли раньше гальваническим, так как получили его в результате гальванической реакции. Когда электрический ток начали проводить в дома, велись жесткие споры о том, какой ток вводить: постоянный или переменный. «Войну» выиграл второй, так как он оказался менее затратным. Его гораздо проще передавать на большие расстояния благодаря легкой трансформации.

Как получается постоянный ток

Но и не исчез из использования постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока встречаются, к примеру, в аккумуляторах.

Ток вырабатывается посредством электромагнитной индукции, после чего происходит выпрямление коллектором. Такую реакцию производит генератор, где тоже вырабатывается постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока могут трансформироваться из переменного за счет преобразователей и выпрямителей.

Область применения

Применение этого вида достаточно широко. В большинстве бытовых приборов дома, к примеру, в компьютерном модеме, зарядке для мобильника, электрочайнике или кухонном комбайне работает именно постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока вырабатываются и преобразуются на автомобильном генераторе и любом портативном приборе. На нем функционируют все промышленные двигатели, а в отдельных странах даже высоковольтные линии электрических передач. Даже в некоторых медицинских приборах он применяется.

Постоянный ток является более безопасным, так как смертельный исход может наступить при ударе током от 300 мА, а при переменном — уже при 50-100 мА.

Электрическая цепь

Связь обеспечивается всеми устройствами, благодаря которым осуществляется передача, распределение и преобразование тепловой, электромагнитной, световой и иных видов энергоинформации. Процессы описаны такими электродвижущими силами, как ток и напряжение.

Основные элементы электрических цепей постоянного тока

Основные элементы — это приемники и источники энергоинформации, соединяющиеся проводниками. В источниках различные виды энергии преобразуются в электрическую. А в приемниках, наоборот, электроэнергия переходит в иные виды.

Цепи, где преобразование, передача и получение электрической энергии происходит при постоянном значении напряжения и тока на протяжении всего времени, называются цепями постоянного тока. Там, где процесс происходит с переменным значением — цепями переменного тока.

Чтобы произвести расчет и исследование электрической цепи постоянного тока (лабораторная работа для этих целей обычно служит), применяется схема замещения, то есть идеализированная цепь для расчета реальной. Чтобы ее получить, заменить нужно все элементы схемы. Физические процессы должны быть выражены в каждом математическом описании.

Резистивные элементы

Резистор является одним из приемников электроцепи. Его характеризует активное сопротивление, которое измеряется в Омах. Резистивные сопротивления или, как их еще называют, активные вводятся в схемы замещения, чтобы учитывать преобразующуюся электромагнитную энергию в иные виды.

Расчет сложных электрических цепей постоянного тока производится, если задать положительное направление всех токов и напряжений. Выбирают направление их узла, имеющего большой потенциал к узлу с меньшим потенциалом.

При независящем сопротивлении от тока резистор называют линейным, а электрическую цепь — линейной резистивной. Вольт-амперная характеристика выражается через линейную функцию, проходящую через начало координат.

При анализе таких цепей часто применяют принцип упрощения, состоящий в замене сложных участков электрической цепи на простые. Но ток и напряжение меняться не должны. Тогда цепь свернется до самого простого вида. Соединенные резистивные элементы должны быть параллельно и последовательно преобразованы.

Последовательное и параллельное соединение

При последовательном соединении во всех элементах ток имеет одно и то же значение. Здесь напряжение определяется посредством суммы всех включенных сопротивлений, умноженной на I, то есть:

U=(R1+R2+RN)I=RI.

При параллельном соединении применяется постоянное напряжение, зато ток представляет собой сумму токов на каждом из элементов. Поэтому его можно представить как произведение напряжения на эквивалентную проводимость активных элементов. А она, в свою очередь, равна сумме проводимостей элементов. Вот из чего состоит постоянный ток.

Электрические цепи постоянного тока, помимо этого, содержат источники напряжения и тока.

Источники

Независимое напряжение (ЭДС, ток) от сопротивления внешней цепи называют его источником. Источник ЭДС (напряжения) измеряется на холостом ходу, то есть, где ток в источнике равен нулю. В схемах замещения резистор учитывает тепловые энергетические потери, которые выделяются из источника. Если он равен нулю, а источник тока — бесконечности, это — идеальный источник. Реальный всегда имеет конечное значение.

Внешние характеристики следующие: у источников ЭДС и напряжения зависимость возникает от протекающего тока, а у источника тока — от напряжения на зажимах.

Реальные источники имеют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим методы расчета линейных электрических цепей постоянного тока. Они описаны в законе Ома для полной цепи, где I=E/(Rh+Rbh). Тогда U= E- RbhI. Из этих формул выводятся внутреннее сопротивление и внутренняя проводимость:

  • Rbh=∆U/∆I;
  • Gbh=∆I/∆U.

Расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока производится на основе закона Кирхгофа. Методы расчета для линейных и нелинейных схем разные. Поэтому последние в рамках данной статьи не рассматриваются.

Приборы для измерения линейного участка

Электрическая емкость цепи постоянного тока содержит источники. А приборами, его измеряющие, являются: вольтметр для измерения напряжения на участке цепи и амперметр для последовательного включения в цепь. При нулевом значении внутреннего сопротивления и проводимости приборы являются идеальными.

Способы включения становятся более понятными при рассмотрении их с применением измерения сопротивления. По закону Ома R=U/I.

Мы знаем, что реальные приборы не имеют нулевого значения. Поэтому возможны лишь два варианта их включения:

  • внутреннее сопротивление вольтметра в разы больше измеряемого амперметра — такое, чтобы снижение напряжения на нем не сокращало снижение на измеряемом сопротивлении, а напряжение, которое измеряется вольтметром должно соответствовать рабочему диапазону;
  • внутреннее сопротивление вольтметра соизмеримо с измеряемым, а амперметра — существенно меньше измеряемого.

Эксперимент и задания для контрольной работы

Для измерения напряжения и тока применяются соответствующие генераторы. Внутреннее сопротивление у них измеряется посредством переключателей.

Вольтметр и амперметр входят в блок АВ1.

Для измерения сопротивления применяются специальные схемы. В источнике электродвижущей силы внутреннее сопротивление должно быть выключенным.

В рекомендуемом задании, которое должна иметь контрольная работа, электрические цепи постоянного тока изучаются посредством определения параметров источника электродвижущей силы, источника тока, измерения сопротивления, изучения включения параллельного и последовательного сопротивлений, ВАХ.

fb.ru

Электрические цепи постоянного тока

Электрические цепи постоянного тока – это соединённые между собой устройства, которые преобразовывают, передают и распределяют различные виды энергии либо информации, которая передаётся в виде сигналов электрического характера.

Элементы цепи

Замкнутая цепь

Электрические цепи постоянного тока имеют несколько основных элементов:

  • Источники питания, которые вырабатывают электрическую энергию;
  • Электрические приёмники;
  • Специальные устройства, которые предназначены для передачи электрической энергии.

Источники питания

Источники питания, которые находятся в таком элементе, как электрические цепи постоянного тока – это специальные устройства, внутри которых случается переработка всевозможных видов поступающей энергии в электрическую энергию. В специализированных справочниках можно встретить понятие электрической энергии под другим названием – электромагнитная энергия.

В роли источников питания, как правило, используются:

  • Генераторы электрической энергии, которые перерабатывают энергию механического происхождения в электрическую энергию;
  • Аккумуляторы, которые преобразовывают энергию химического происхождения в электромагнитную энергию;
  • Солнечные батареи и схожие с ними фотоэлементы, основной задачей которых является переработка энергии света и тепла, в ходе чего образуется электромагнитная энергия;
  • Генераторы магнитогидродинамического типа, в которых проходит целый ряд преображений различной энергии, после чего появляется и удерживается электромагнитные импульсы;
  • Реакторы атомного действия, которые считаются самыми экономными, но неустойчивыми в плане сохранения атомной энергии на долгое время. Такие реакторы преобразуют энергию ядра в тепловой элемент, который впоследствии перерабатывается и получается электромагнитный импульс.

Электрические приёмники

Электрические цепи постоянного тока оснащены электрическими приёмниками. Эти приёмники призваны перерабатывать электромагнитные импульсы в любые другие типы энергии. Пример:

  • Электрический двигатель обретает энергию механического типа;
  • Нагревательные печи и приборы получают энергию теплового типа;
  • Специализированные электролитические приборы получают химическую энергию нужной концентрации.

Передающие устройства

Прибор для измерения силы тока

Электрические цепи постоянного тока нуждаются в отдельных устройствах, которые будут транспортировать (передавать) электромагнитные импульсы от начального пути следования (источников) к конечному пункту (приёмникам). Такими устройствами можно назвать:

  • Провода;
  • Сети электропередачи;
  • Высоковольтные линии передач.

Проводом считается проволока, выполненная из металла, которая может находиться в резиновой изоляции. Проволоку изготавливают из стали, алюминия или меди.

Электрическая цепь имеет своеобразный путь, по которому транспортируется электрическое напряжение. Такой путь должен быть изолированным резиновой или пластмассовой оболочкой на всём своём протяжении.

Изоляция позволяет не допустить перехода электрического тока на любую другую открытую поверхность, которая обладает электрической проводимостью. Кроме того, изоляция предназначена для осуществления безопасности для человека, который может соприкоснуться с открытым участком электрического пути.

Электрическая цепь, в целом, а также все её отдельные компоненты обладают электрическим сопротивлением. Кроме всего прочего, электрическая цепь состоит не только из основных элементов, которые уже были рассмотрены, но и некоторых вспомогательных устройств. К таким устройствам можно отнести специальную аппаратуру коммуникационного типа, которая служит для включения или отключения электрического оборудования.

Постоянный ток

Приведём небольшой пример. Поместив специальный проводник, находящийся в изоляционной оболочке, в поле электрической энергии (Е), мы добьёмся того, что свободные электрические заряды q, которые расположены в данном проводнике, будут находиться под действием постоянной силы F=qE.

При таком воздействии силы F в используемом проводнике будет образовываться непостоянное перемещение всех зарядов свободного типа. Завершится данное действие только тогда, когда электрическое поле, которое имеется у всех свободных зарядов, не произведёт компенсацию основного электрического поля, в которое помещён проводник. При всём этом, поле электростатической энергии, которое находится в самом проводнике, будет иметь значение равное 0.

В некоторых случаях в проводнике может образоваться постоянное и организованное перемещение электрических носителей. Произойти это может только при определённых условиях. Такое перемещение заряженных носителей и есть постоянный электрический ток. В качестве основного направления электрического постоянного тока принимается то направление, по которому движутся заряженные заряды свободного типа. Для того, чтобы в проводнике мог сохраняться электромагнитный импульс, проводник должен быть снабжён своим электрическим и магнитным полем.

Прибор для измерения напряжения в сети

Мерой общего количества постоянного электрического тока является определённая сила электрического тока со значением I, которое трактуется, как физическая скалярная величина. Данная величина равна соотношению свободного заряда Δq, который переносится сквозь боковое сечение выбранного проводника за определённый временной интервал Δt. Из этого можно вывести формулу.

Сила тока измеряется в А, то есть амперах. Отдельная единица такой силы определяется по определённому магнитному соотношению двух разных проводников, которые расположены параллельно и имеют свои заряженные частицы.

Создать электрический постоянный ток можно только в такой цепи, как замкнутая электрическая цепь, которая имеет циркулирующие по одной траектории свободные заряды. По этой причине электрическая цепь имеет своеобразное магнитное поле, которое не может быть измерено единицей времени. Таким образом, можно смело утверждать, что электромагнитное поле в данной цепи является полем замороженного типа. Но, если переместить заряженные частицы в магнитном поле по закрытой или фиксированной траектории, то можно добиться нулевой работы силы электрического тока.

По этой причине, для того, чтобы организовать постоянный электрический ток, нужно использовать специальные устройства, которые будут производить и сохранять различные потенциалы в электрической цепи.

Возможно это при помощи воздействия определённой силы, которая не имеет никакого отношения к магнитному полю. Называются такие специальные устройства – источниками силы постоянного электрического тока. Те силы, которые не имеют прямого отношения к электромагнитному полю, имеют название сил постороннего происхождения.

Силы постороннего происхождения

Силы постороннего происхождения могут возникнуть по различным причинам. Возникновение данных сил в аккумуляторах происходит при проведении электрических и химических действий. В генераторных механизмах такие силы появляются при перемещении заряженных проводников по электромагнитному полю.

Электрическая цепь имеет свой собственный источник постоянного тока, который выполняет все те же действия, что и обычный насос, который нужен для циркуляции жидкости в системе гидравлики.

При воздействии сил постороннего происхождения заряженные частицы осуществляют движение по электрическому источнику противоположно силам магнитного поля. От этого в электрической цепи замкнутого типа непрерывно поддерживается электрический постоянный ток.

Силы постороннего происхождения производят свою работу только при движении заряженных частиц по электрической цепи. Электродвижущая сила – это своеобразная величина физического происхождения, которая равняется соотношению работы сил стороннего происхождения и фактического значения электрического заряда. Обозначить такое понятие можно данной формулой:

ЭДС=Е=А(ст)/q

Из этого следует, что электродвижущая сила становится определённой той работой, которую производят силы постороннего происхождения, когда положительно заряженная частица осуществляет своё передвижение. Измерить такую силу движения электричества можно при помощи В, то есть вольтов.

Дополнительное сопротивление

При произведении движения одиночного электрического заряда по электрической цепи замкнутого типа работа сил постороннего происхождения приравнивается к значению электродвижущей силы, которая работает непосредственно в данной электрической цепи.

В этом случае электромагнитное поле производит нулевую работу.

Участки электрической цепи

Электрическую цепь можно разделить на отдельные участки. Другими словами – это те участки, которые не поддаются воздействию сил постороннего происхождения. Такие участки электрической цепи не имеют своих источников постоянного тока. Такие участки цепи называются участками однородного типа. А вот те участки цепи, которые располагают такими источниками, носят название участков неоднородного типа.

Когда отдельный электрический заряд движется по определённому участку электрической цепи, производится работа не только электромагнитных сил, но и силы постороннего происхождения. Общая работа данных сил имеет следующее значение:

U12 = φ1 – φ2 + Е12

Резонанс

Резонанс в электрической цепи – это определённое явление, которое можно отнести к самым важным свойствам любой электрической цепи. Суть данного явления заключается в наличии сопротивления резистивного типа в электрической цепи, которая имеет элементы реактивного характера.

Условием для каждого двухполюсного элемента при понятии резонанса можно считать Im[Z]=0 или Im[Y]=0. Значение Y и Z – это фиксированное сопротивление и проводимая способность двухполюсного элемента.

Из этого следует, что понятие резонанса можно определить отдельными значениями цепи электрического тока. Кроме того, данное понятие абсолютно не зависит от постороннего воздействия на цепь источниками энергии электрического происхождения.

Для того, чтобы определить все существующие условия появления резонанса цепи электрической энергии, необходимо отыскать сопротивление и проводимую способность цепи, а также вывести на 0 выделенную часть электрической цепи. Все те значения цепи электрической энергии, которые будут значиться в данном уравнении, будут оказывать непосредственное влияние на полученное значение резонанса в цепи электрического тока.

Те цепи электрического тока, которые имеют повышенное количество элементов реактивного типа, могут привести к некоторым сложностям, которые всплывут при проведении анализа.

Для синтеза цепей такие элементы никогда не используются. Из этого следует, что добиться одинакового решения для таких цепей практически невозможно. Именно по этой причине при практической организации цепи исследуют только несложные двухполюсные элементы, которые объединяются в электрические цепи повышенной сложности с нужными характеристиками.

Двухполюсные элементы

Схема своими руками

Самыми простыми цепями электрического тока, в которых случается явление резонанса, можно считать параллельные и последовательные замыкания резистора. Такие цепи электрического тока называются резонансным контуром параллельного или последовательного типа.

Организовывать резистивное сопротивление в контуре нет нужды. Но, при проведении соответствующего анализа сопротивлением резистивного типа не стоит забывать про проводниковое сопротивление.

При использовании последовательного контура можно организовать явление резонанса при помощи изменения значения индуктивности L (в том случае, если C и w имеют неколебимое значение), а также при осуществлении изменения общей ёмкости со значением С (только в тех случаях, когда L и w не изменяют своего первичного значения).

Соотношение таких элементов, как сопротивление волнового типа и резистивного типа (r/R =Q), носит название контурной добротности. При этом обратная величина (D = 1/Q) называется контурным затуханием. Из этого следует, что контурная добротность по своему значению приравнивается к соотношению напряжения элемента реактивного типа и резисторного напряжения.

Возможно это только при явлении резонанса. Контурная добротность может измеряться в десятках определённых единиц измерения. При этом напряжение на элементах реактивного типа будет превышать входное напряжение в то же самое количество раз.

No votes yet.