Элементы электрической цепи постоянного и переменного токов.
Электрическая цепь - совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятии об электродвижущей силе, токе и напряжении.
Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя. Т.е. электрическая цепь - совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, приемников и соединяющих их проводов (линия передачи).
Электрическая цепь делится на внутреннюю(источник электрической энергии) и внешнюю части(соединительные провода, потребители, рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии)
Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.
Под электрическими цепями постоянного тока в электротехнике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т. е. полярность источников ЭДС в которых постоянна.
Под электрическими цепями переменного тока имеют ввиду цепи, в которых протекает ток, который изменяется во времени (переменный ток).
Источники питания цепи - это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др.
Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.
В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).
Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные - напряжение и мощность.
Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные.
К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.
Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением и называемые резисторами, характеризуются так называемой вольт-амперной характеристикой - зависимостью напряжения на зажимах элемента от тока в нем или зависимостью тока в элементе от напряжения на его зажимах.
Если сопротивление элемента постоянно при любом значении тока в нем и любом значении приложенного к нему напряжения, то вольт-амперная характеристика прямая линия и такой элемент называется линейным элементом.
В общем случае сопротивление зависит как от тока, так и от напряжения. Одна из причин этого состоит в изменении сопротивления проводника при протекании по нему тока из-за его нагрева. При повышении температуры сопротивление проводника увеличивается. Но так как во многих случаях эта зависимость незначительна, элемент считают линейным.
Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков которой не зависит от значений и направлений токов и напряжений в цепи, называется линейной электрической цепью. Такая цепь состоит только из линейных элементов, а ее состояние описывается линейными алгебраическими уравнениями.
Если сопротивление элемента цепи существенно зависит от тока или напряжения, то вольт-амперная характеристика носит нелинейный характер, а такой элемент называется нелинейным элементом.
Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент.
Положительные направления токов и напряжений.
Электрический ток - упорядоченное движение электрических зарядов. Известно, что электрический ток проводимости в металлах, так же как и ток переноса в электровакуумных приборах, представляет собой перемещение отрицательно заряженных частиц (электронов), а ток проводимости в электролитах и газах - перемещение как положительно, так и отрицательно заряженных частиц (ионов).
Электрическому току приписывается направление. Хотя в общем случае ток представляет собой движение электрических зарядов того и другого знака в разные стороны, однако, за направление тока принимают направление перемещения положительных зарядов; это направление противоположно направлению движения отрицательных зарядов.
Численно ток определяется как предел отношения количества электричества за некоторый промежуток времени. Следовательно, если обозначить через q количество электричества, прошедшего через рассматриваемое сечение проводника за время t, то мгновенное значение тока, т. е. значение его в любой момент времени t, определится как производная q по t
i = dq/dt.
Здесь q = q+ + q-, где q+ и q- - положительный и отрицательный заряды, переместившиеся в противоположные стороны за время t.
Электрический ток может быть постоянным (неизменяющимся) или переменным, т.е. изменяющимся в зависимости от времени.
Направление тока характеризуется знаком тока. Понятия положительный ток или отрицательный ток имеют смысл, только если сравнивать направление тока в проводнике с некоторым заранее выбранным ориентиром - так называемым положительным направлением.
Положительное направление тока выбирается произвольно; оно обычно указывается стрелкой. Если в результате расчета тока, выполненного с учетом выбранного положительного направления, ток имеет знак плюс (i > 0), то это означает, что его направление совпадает с выбранным положительным направлением. В противном случае, когда ток отрицателен (i < 0), он направлен противоположно.(как первая ргр)
Таким образом, выбранное для тока положительное направление само по себе не означает направления, в котором перемещаются электрические заряды; оно только придает определенный смысл знаку тока.
Изобразим некоторый участок электрической цепи, через который проходит ток i, в виде прямоугольника и обозначим концы (зажимы) этого участка цифрами 1 и 2 (рисунок 1.1). Разность электрических потенциалов точек 1 и 2 представляет собой напряжение на данном участке цепи.
Значение напряжения в любой текущий момент времени обозначается через u; оно может быть постоянным или переменным. В системе СИ напряжение измеряется в вольтах (В).
Для придания определенного смысла знаку напряжения на рассматриваемом участке цепи для напряжения, так же как и для тока, произвольно выбирается положительное направление. Чаще всего его выбирают совпадающим с положительным направлением тока и указывают стрелкой.
В выбранном положительном направлении и отсчитывается напряжение. Пусть на рисунке 1.1 отсчет напряжения ведется от точки 1 к точке 2. Когда потенциал точки 1 выше потенциала точки 2, напряжение положительно, в противном случае оно отрицательно.
Так, применительно к рисунку 1.1 напряжение, отсчитываемое в положительном направлении тока, равно u12. Напряжение, отсчитываемое в обратном направлении, имеет противоположный знак u21 = - u12.
Двойное индексное обозначение возможно и для тока. Например, i12 обозначает ток, который имеет положительное направление на участке цепи от точки 1 к точке 2. Однако на практике большее распространение нашло обозначение с помощью стрелок.
Положительными направлениями токов и напряжений пользуются при исследовании процессов, происходящих в электротехнических устройствах, и при расчете электрических цепей. Для краткости положительное направление будем называть просто направлением.