Электрические цепи постоянного тока (2 лекции)

Определения и основные понятия

Электромагнитное устройство с происходящими в нем физическими процессами в электротехнике заменяют некоторым расчетным эквивалентом – электрической цепью.

Электрическая цепь – совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток.

Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью понятий «ток», «напряжение», «э.д.с.», «сопротивление», «проводимость», «индуктивность», «емкость».

Как известно из курса физики, свободные электроны в металлическом проводнике и ионы в электролите находятся в состоянии беспорядочного движения. Под действием приложенного к этому проводнику электрического напряжения свободные электроны приобретают дополнительную скорость и начинают перемещаться в одном направлении, совпадающим с направлением сил поля.

Таким образом, электрический ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов.

Направления движения положительных и отрицательных заряженных частиц противоположны. С учетом этого, направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное движению электронов.

Мера интенсивности направленного движения заряженных частиц – сила тока, I [A].

Неизменный во времени по направлению и величине ток называется постоянным током.

Под напряжением на некотором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка. U, [В].

ēе

Рис.1.1

U_ab= – U_ba = φ_a – φ_b.

Разность потенциалов на концах сопротивления называют падением напряжения на этом элементе.

Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решетки тормозят их поступательное движение.

Величина, характеризующая противодействие электрической цепи (или её участка) электрическому току называется электрическим сопротивлением. R [Ом].

Сопротивление проводника зависит от его длины l, площади поперечного сечения s и материала из которого он изготовлен

R=ρ∙l/s,

где ρ – удельное сопротивление [Ом∙м].

Величина, обратная сопротивлению – электрическая проводимость.

G=1/R [См]

Зависимость тока, протекающего по сопротивлению, от напряжения на этом сопротивлении называют вольт-амперной характеристикой (в.а.х.).

Рис.1.2.

Сопротивления (резисторы), в.а.х. которых являются прямыми линиями (а) называют линейными. В противном случае – сопротивления нелинейные (b).

Электрическая цепь в простейшем случае состоит из трех основных элементов:

- источник электрической энергии (или источник питания);

- приемник электрической энергии;

- соединительные провода.

Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой.

а) б)

Рис.1.3.

На схеме рис.1.3 1 - источник электрической энергии, который характеризуется э.д.с. (Е) и внутренним сопротивлением (R_В).

Если R_В=0, то такой идеализированный источник питания называется источником э.д.с. или источником напряжения.

Идеализированный источник питания, R_В и Е которого стремятся к бесконечности, называется источником тока (рис.1.3, б).

R_Н – приемник электрической энергии или сопротивление нагрузки.

К – ключ или выключатель.

Также на схеме изображены электроизмерительные приборы.

Сила тока в цепи измеряется амперметром (А, РА), который включают последовательно, т.е. в разрыв цепи. Внутреннее сопротивление идеализированного амперметра стремится к нулю, т.е. амперметр не оказывает сопротивления протекающему току.

Для измерения электродвижущей силы (ЭДС) источника напряжения или падения напряжения на элементе цепи используется вольтметр, который подключается параллельно этому элементу. Внутреннее сопротивление идеализированного вольтметра стремится к бесконечности, т.е. электрический ток через идеальный вольтметр равен нулю.

W – ваттметр - электрический прибор для измерения активной мощности в цепи. Работа ваттметра основана на взаимодействии двух обмоток - токовой и напряжения, включаемых последовательно с нагрузкой и параллельно ей, подобно включению амперметра и вольтметра.

На рис.1.3 изображена неразветвленная электрическая цепь, т.е. цепь во всех элементах которой течет один и тот же ток.

Если на рис.1.3 параллельно R_Н включить резистор R, такая цепь будет являться разветвленной. В такой цепи имеются три ветви, в каждой из которых течет свой ток. А также два узла.

Электрическое соединение нескольких проводов называется узлом и обозначается точкой. Если в месте пересечения линий точки нет, то нет и электрического соединения.

а) б)

Рис.1.4.

Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь или узел не встречаются более одного раза.