Цепи постоянного тока.
Электротехническое устройство и происходящие в нем физические процессы в теории электротехники заменяют расчетным эквивалентом - электрической цепью.
Электрическая цепь - это совокупность соединенных друг с другом проводниками источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью понятий ток, напряжение, ЭДС, сопротивление, проводимость, индуктивность, емкость.
Элементы ЭЦ – отдельные устройства ЭЦ, м.б.
-основные – источник (внутренняя часть ЭЦ) и потребитель (внешняя часть цепи),
- вспомогательные – проводники.
Электрический ток может быть постоянным и переменным. Постоянным называют ток, неизменный во времени. Он представляет направленное упорядоченное движение носителей электрического заряда. Как известно из курса физики, носителями зарядов в металлах являются электроны, в полупроводниках электроны и дырки (ионы), в жидкостях - ионы.
Упорядоченное движение носителей зарядов в проводниках вызывается электрическим полем. Поле создается источниками электрической энергии. Источник преобразует химическую, механическую, кинематическую, световую или другую энергию в электрическую. Он характеризуется ЭДС и внутренним сопротивлением. ЭДС источника м.б. постоянной или переменной во времени. Переменная ЭДС может изменяться во времени по любому физически реализуемому закону. Ток, протекающий по цепи под воздействием переменной ЭДС также переменный.
Электрический ток возникает не только при упорядоченном движении свободных электронов в металле, но и при упорядоченном движении положительных и отрицательных ионов в растворах электролитов, ионов в газах и т. д.
Электрический заряд частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи, т. е.
Единица силы тока — ампер (А), но используют и кратные единицы: 1 мА = 10-3 А, 1 кА = 103 А.
Силу тока в цепи измеряют амперметром.
Электрический ток в замкнутой цепи совершает работу, которая в первую очередь зависит от источника тока, вернее, от его напряжения.
Напряжение U – разность потенциалов между двумя точками поля, показывает какую работу совершает электрическое поле источника при перемещении единичного положительного заряда из начальной точки в конечную:
(Дж / Кл = 1 В)
Единица напряжения — вольт (В), но используют и кратные единицы: 1 мВ = 10-3 В, 1 кВ = = 103 В.
Напряжение измеряют вольтметром.
Постоянный ток принято обозначать буквой I, переменный i(t); постоянную ЭДС - Е, переменную е(t), сопротивление - R, проводимость -g. В международной системе единиц (СИ) ток измеряют в амперах (А), ЭДС - в вольтах (В), сопротивление в омах (Ом), проводимость - в сименсах (См).
Электродвижущая сила (эдс) Е - напряжение, которое давал бы генератор, если бы в его сопротивлении не терялась часть напряжения.
Е = U + I r, где r – внутреннее сопротивление.
Сопротивление R r – способность проводника препятствовать прохождению электрического тока.
R = p L / S, где p – удельное сопротивление (Ом. мм² / м), L - длина проводника, S – площадь поперечного сечения проводника.
Проводимость – величина обратная сопротивлению. q = 1/ R. Единица измерения – сименс (См).
Плотность тока – отношение величины тока к площади поперечного сечения проводника (А/мм²):
J = I / S
Мощность в цепи постоянного тока определяется произведением напряжения на силу тока: 
.
Физический смысл этой формулы прост: так как напряжение U численно равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда, то произведение U∙I характеризует работу по перемещению заряда за единицу времени, протекающего через поперечное сечение проводника, т.е. является мощностью
При анализе электрических цепей, как правило оценивают значение токов, напряжений и мощностей. В этом случае нет необходимости учитывать конкретное устройство различных нагрузок. Важно знать лишь их сопротивление - R, индуктивность - L, емкость - С.
Такие элементы цепи называют приемниками электрической энергии:
резистор – для использования его электрического сопротивления,
конденсатор – запасает энергию электрического поля,
индуктивная катушка – запасает энергию магнитного поля.
Для включения и отключения элементов электрических цепей применяют коммутационную аппаратуру (рубильники, выключатели, тумблеры (см. рис. 1.1.). Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощности.
Изображение электрической цепи с помощью условных графических обозначений называют электрической схемой
ЭЦ подразделяют:
1. По типу электромагнитных процессов – ЭЦ постоянного тока (токи и напряжения элементов ЭЦ не изменяются во времени) и переменного тока.
2. По типу элементов ЭЦ – линейные (все элементы линейны – параметры не зависят от интенсивности процессов) и нелинейные (в ЭЦ хотя бы один нелинейный элемент..)
Законы Ома.
1. для полной цепи - сила тока прямопропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению электрической цепи.
I = E / R + r
2. для участка цепи - сила тока прямопропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка..
U = I R
Законы Кирхгофа.
1. Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле электрической цепи равна нулю. При этом токи, текущие к узлу считаются положительными, а от узла - отрицательными. Другая формулировка: сумма токов, подходящих к узлу, равна сумме токов, отходящих от узла.
I1 -I2+I3 =0 или I1+I3=I2
Первый закон Кирхгофа по сути является законом баланса токов в узлах цепи.
Второй закон Кирхгофа
В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжений на элементах, входящих в контур, равна алгебраической сумме ЭДС.
Второй закон Кирхгофа по сути является законом баланса напряжений в контурах электрических цепей.
Для составления уравнения по 2-му закону Кирхгофа выбирается произвольное направление обхода контура. Тогда, если направление тока в цепи совпадает с направлением обхода, то соответствующее слагаемое берется со знаком "+", а если не совпадает, то со знаком "-". Аналогичное правило расстановки знаков справедливо и для ЭДС.
Пример:
Свойства электрической цепи постоянного тока при соединении энергопотребителей:
| 1. последовательно | 2. параллельно |
| определение | |
| соединение, при котором концы предыдущего проводника соединяется с началом последующего | соединение, при котором начало проводников соединяется в одной точке, а концы в другой |
| схема | |
| свойства | |
| Ток в данной цепи на всех участках проходит один и тот же Iо = I 1 = I 2 = I 3 | Общий ток равен сумме токов в отдельных ветвях Iо = I 1 + I 2 + I 3 |
| Напряжение, приложенное к данной ЭЦ равен сумме падений напряжений на отдельных участках Uо = U1 + U 2 + U 3 | Общее напряжение равно напряжениям на отдельных ветвях Uо = U 1 = U 2 = U 3 |
| Общее сопротивление данной ЭЦ равно сумме всех сопротивлений Rо = R 1 + R 2 + R 3 | Проводимость данной ЭЦ равна сумме проводимостей отдельных ветвей, следовательно 1 1 1 1 Rо = R 1 + R 2 + R 3 |
3. смешанное - в котором присутствует и последовательное и параллельное соединения.