Портал ТОЭ

1.1 Электрическая цепь

Объектом исследования электротехники являются электромагнитные устройства, однако, реальные электромагнитные устройства с происходящими в них и окружающем их пространстве физическими процессами в электротехнике заменяют расчётным эквивалентом – электрической цепью.

Иначе, электрическая цепь – это совокупность устройств и объектов, образующих пути для электрического тока.

Рассмотрим пример такой цепи.

В электрической цепи генератор вырабатывает на своих выходных зажимах напряжение. При замыкании ключа в электрической цепи потечёт ток:

• в конденсаторе происходит накопление электрических зарядов на пластинах;
• вокруг катушки индуктивности появляется магнитное поле (сердечник намагничивается);
• в лампе выделяется теплота, приводящая к свечению нити.

Кроме того, течение тока по цепи приводит к образованию вокруг проводников (в окружающем пространстве) электромагнитного поля, уносящего часть энергии в окружающее пространство. Существуют специальные электрические цепи, предназначенные для создания сильного излучения (вибраторы). Однако в дальнейшем м ы такие цепи рассматривать не будем и излучением пренебрегаем.

Электрическую цепиь можно изобразить более компактно. Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой. В электрической схеме выделяют:

• ветвь – участок схемы, во всех элементах которого протекает одинаковый ток;
• узел – место соединения (точка) нескольких ветвей;
• контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Если при работающем генераторе замкнуть ключ, то ток через лампу будет протекать не мгновенно, а с запаздыванием на время, зависящее в частности от геометрических размеров электрической цепи, т.е. удалённости лампы от генератора. Распространение электромагнитного поля происходит с конечной скоростью (скоростью света) 3 ⋅ 10⁸ м/с. В сетях с циклической частотой f = 50 Гц это запаздывание обычно мало, но в быстродействующих схемах оно учитывается.

Если время запаздывания Δt = l∕c ≪ T много меньше времени изменения электрического сигнала (тока) T, то режим называют квазистационарным. Цепь при этом как бы не имеет геометрических размеров, а сосредоточена в бесконечно малой области с нулевыми размерами. Это цепи с состедоточенными параметрами.

Если Δt ≈ T – цепь с распределёнными параметрами (линии связи, обмотки электрических машин и т. д.).

Если разомкнуть цепь, лампа гаснет с некоторым запаздыванием. Это происходит:

• из-за тепловой инерции нити накаливания;
• из-за расходования запасённой в элементах цепи энергии (ток течёт даже при разомкнутых контактах – в виде образовавшейся дуги).

В связи с этим различают:

• установившийся режим работы – при замкнутых (разомкнутых) контактах ключа;
• переходный режим – при коммутациях (при этом напряжение и ток могут превышать свои значения в установившемся режиме).

Изучение курса ТОЭ мы начнём в наиболее простого – анализа установившихся режимов цепи с сосредоточенными параметрами.