Понятие электрической цепи.

Основы теории электрических цепей.

Тема 1. Основные понятия и законы теории электрических цепей.

Понятие электрической цепи.

1.1.1 Электрическая цепь – это совокупность источников, преобразователей приемников электрической энергии, связанных между собой соединительными проводами и линиями передачи электрической энергии.

Примеры источников – электромашинные генераторы, аккумуляторы, электрические батареи.

Примеры приемников – электродвигатели, нагревательные и осветительные устройства.

Примеры преобразователей – трансформаторы, выпрямители, источники питания электронной аппаратуры, включаемые в сеть переменного тока.

Состояние электрической цепи в любой момент времени характеризуется совокупностью значений электрического тока и электрического напряжения на всех устройствах, входящих в эту цепь.

1.1.2 Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов в определенном направлении. Сила электрического тока (или просто ток) измеряется амперметром, который показывает величину электрического заряда, проходящего через прибор за единицу времени:

на постоянном токе

i =

на переменном токе

i =

В теории предполагается использование идеальных амперметров, которые обладают нулевым внутренним сопротивлением, не потребляют электрической энергии и поэтому не влияют на состояние или режим цепи. Идеальный амперметр реагирует не только на величину проходящего через него заряда, но и на направление перемещения заряда. Амперметр дает положительное значение тока, если положительные заряды движутся от его зажима [ +] к зажиму [ -], а отрицательные заряды от зажима [ -] к зажиму [ +]. Если заряды движутся в противоположном направлении, т.е. положительные – от минуса к плюсу, а отрицательные – от плюса к минусу, то амперметр показывает отрицательный ток. Таким образом, электрический ток является алгебраической величиной.

Когда говорят о величине тока в каком-либо устройстве, предполагается, что последовательно с этим устройством включен идеальный амперметр, через который протекает такой же ток, как и через устройство. У амперметра должны быть размечены зажимы [ +] и [ -], иначе знак тока не будет определен. Чтобы не загромождать схемы электрических цепей множеством изображений амперметров, принято указывать на схемах направления тока во всех устройствах. Стрелка, указывающая направление тока, является эквивалентом идеального амперметра.

Если изменить направление стрелки тока на противоположное, то нужно поменять местами зажимы [ +] и [ -] у амперметра, при этом показание амперметра (т.е ток) поменяет знак.

1.1.3 Электрическое напряжение – это работа электрических сил, перемещающихэлектрические заряды через какое-либо устройство; при этом работа рассчитывается на единицу перемещаемого заряда:

при постоянном токе

u =

при переменном токе

u =

Напряжение измеряется вольтметром, который показывает работу, совершаемую единичным зарядом, когда он проходит от зажима [ +] к зажиму [ -] вольтметра. Если положительный заряд перемещается от минуса прибора к его плюсу, то вольтметр дает отрицательное показание. Таким образом, напряжение является алгебраической величиной.

В теории предполагается, что вольтметры являются идеальными приборами, т.е. их включение в цепь не влияет на ее работу. Идеальный вольтметр обладает бесконечно большим сопротивлением. Когда говорят о величине напряжения на каком либо устройстве, предполагается, что параллельно с этим устройством включен идеальный вольтметр, напряжение на зажимах которого одинаково с напряжением на зажимах устройства. У вольтметра должны быть размечены зажимы [ +] и [ -], иначе знак напряжения не будет определен. Чтобы не загромождать схемы цепей изображениями вольтметров, принято указывать направление напряжений на всех устройствах цепи. Стрелка, указывающая направление напряжения, является эквивалентом идеального вольтметра

Если изменить направление стрелки напряжения на противоположное (изменить направление напряжения), то нужно поменять местами + и – вольтметра, при этом показание вольтметра (т.е. напряжение) изменит знак.

1.1.4 Электрическая мощность характеризует преобразование электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.д.).

Мгновенная мощность равна произведению мгновенного тока на мгновенное напряжение:

p= u i = = .

Единица тока – = А (ампер), единица напряжения – = В (вольт), единица электрической мощности – = В А = = ВT (джоуль в секунду или ватт).

В цепях постоянного тока, где токи, напряжения и мощности не изменяются с течением времени

p= u i= = .

1.1.5 Баланс мощностей следует из закона сохранения энергии. Он гласит, что суммамощностей всех приемников в электрической цепи в любой момент времени равна алгебраической сумме мощностей всех источников.

Мощность приемника всегда положительна (знаки тока и напряжения всегда совпадают;

u > 0 и i > 0 или u < 0 и i < 0). Мощность источника – алгебраическая величина; она положительна, когда источник отдает электрическую энергию в цепь (u > 0 и i > 0 или u < 0 и i < 0), или отрицательна в те моменты времени, когда источник забирает часть энергии из цепи (u < 0, i > 0 или u > 0, i < 0).

1.2 Схемы электрических цепей, их основные элементы.

1.2.1Схемы замещения электрических цепей.Электрические цепи содержат множество разнообразных электротехнических устройств. Для упрощения теории каждое устройство представляют в виде совокупности соединенных между собой идеализированных элементов. Этих элементов всего пять: резистор, катушка, конденсатор, источник напряжения и источник тока. Они имеют строгие, в математическом отношении несложные определения.

Схемы электротехнических устройств и электрических цепей, составленных из идеализированных элементов, называются схемами замещения этих устройств и цепей. В теории цепей изучают их схемы замещения. Построение схем замещения тех или иных устройств входит в круг задач конкретных электротехнических дисциплин (электрические машины, электроавтоматика, оборудование электрических станций, электроника и т.д.).

1.2.2 Резистор – это элемент электрической цепи, напряжение на котором пропорционально току. Коэффициент пропорциональности между напряжением и током называется электрическим сопротивлением резистора.

u = R i (закон Ома).

пропорциональности между током и напряжением называется электрической проводимостью резистора:

i = g u

Очевидно, что R = , g = , g = , R =