Назад:
1.1 Электрическая цепь…
Вперёд:
1.3 Источники электрической эн…
1.2 Классификация элементов электрической цепи
Основными элементами электрической цепи являются:
- источники электрической энергии, в которых химическая, механическая тепловая и другого вида энергия превращается в электрическую (гальванические элементы, генераторы, термоэлементы, солнечные батареи); если в цепи включён источник постоянного напряжения, цепь называется цепью постоянного тока, в противном случае – цепь переменного тока;
- приёмники электрической энергии, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в другие её виды;
- устройства для передачи и преобразования электрической энергии – ЛЭП, линии связи, трасформаторы, преобразователи частоты, выпрямители и др…
К активным элементам относятся источники энергии, остальные – пассивные элементы, в которых энергия рассеивается и (или) накапливается.
В зависимости от числа выводов элементы цепи бывают: двухполюсными, трёхполюсными и т.д., многополюсными.
Под элементами в ТОЭ подразумеваются обычно не физически существующие составные части электроустановок, а их идеализированные модели, которым приписываются определённые электрические и магнитные свойства, так, что они в совокупности приближённо отображают явления, происходящие в реальных устройствах. Эти свойства представляются определёнными соотношениями между током и напряжением на данном элементе.
Но, прежде чем рассматривать данные элементы, вспомним основные электрические величины.
1. Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов. Численно определяется по формуле:
Электрическому току приписывается направление, за которое принимается некий заранее выбранный ориентир, обычно за него принимают направление перемещения положительных зарядов (от «+» к «−»). Направление тока характеризуется его знаком.
2. Электрические заряды движутся под дейтсвием напряжения. Напряжением (разностью потенциалов) между двумя точками цепи называется работа, совершаемая при перемещении малого заряда между этими точками:
Условно положительное направление напряжения совпадает с направлением тока.
u12 = −u21
3. Если поступающая в приёмник элементарная энергия определяется выражением:
Если p > 0, энергия поступает в приёмник, если p < 0 – возвращается в источник.
4. Энергия, поступившая в приёмник за Δt = t2 − t1 определяется выражением:
Энергия всегда положительна.
Таким образом, рассматривая основные элементы цепи, как математические модели, связывающие токи и напряжения на данных элементах особым образом, следует сказать, что при протекании электрического тока возникают следуующие существенные явления:
- потери электрической энергии (поглощение электромагнитной энергии);
- возникновении магнитного поля;
- возникновение электрического поля.
В соответствии с этим различают следующие виды элементов.
1. Резистивное (активное) электрическое сопротивление (резистор) – это элемент, в котором электромагнитная энергия преобразуется в тепловую.
С этим элементом оперировали уже в 70 гг. XVIII века такие учёные, как английский учёный Г. Кавендиш, французский физик Ж. Нолле и др.
Активное сопротивление определяется по формуле:
Обратная ему величина (в отдельных случаях) – активная (резистивная) проводимость g = 1∕R, См (сименс).
Зависимость u(t) = f(i(t)) называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). В общем случае она линейная, а обозначение нелинейного активного элемента .
Первоначально активное сопротивление мы будем рассматривать как линейное с линейной ВАХ
К такому идеальному элементу близки по свойствам реостаты, лампы накаливания и др.
Мгновенная мощность в активном элементе
2. Индуктивность – это элемент, в котором накапливается энергия магнитного поля. В первом приближении им называют индуктивную катушку.
При протекании тока по катушке по правилу буравчика возникает магнитный поток. Магнитное поле изображается в виде замкнутых силовых линий магнитного поля, сцепленных с витками катушки. Число линий поля, сцепленных с отдельными витками, неодинаково, поэтому вводится понятие потокосцепления, представляющего собой сумму всех потоков, сцеплённых с отдельными витками катушки:
Индуктивность выражается формулой:
На основании закона электромагнитной индукции устанавливается связь между током и напряжением в катушке: при изменении магнитного потока, сцеплённого с контуром, в нём наводится ЭДС, равная скорости изменения потокосцепления и направленная так, чтобы ток, вызванный ею, стремился воспрепятствовать изменению наводящего потока.
Напряжение на индуктивном элементе определяется скоростью изменения тока.
Индуктивность характеризуется вебер-амперной характеристикой. Для среды, не являющейся ферромагнетиком, эта зависимость Ψ(i) линейна. Если есть ферромагнитный сердечник, индуктивность нелинейна.
Энергия магнитного поля
3. Ёмкость – элемент, в котором накапливается энергия электрического поля. К этому идеальному устройству близок конденсатор. При приложении к конденсатору напряжения на его обкладках появляются заряды, равные по величине и противоположные по знаку. В диэлектрике между обкладками образуется связанное с этими зарядами электрическое поле.
Ток в ёмкостном элементе определяется скоростью изменения напряжения. Ток в ёмкости является током смещения iсм, представляющим собой изменяющееся во времени электрическое поле. (Природа тока смещения иная, чем у тока проводимости iпр, которого нет в диэлектрике. Лишь часть этого тока можно представить в виде смещений связанных зарядов поляризованного диэлектрика. Линии тока смещения в диэлектрике являются продолжением линий токов проводимости в обеих обкладках конденсатора).
Ёмкость характеризуется кулон-вольтной характеристикой q(u).
Для нелинейной ёмкости обозначение следующее: .
Энергия электрического поля
Процесс запасения энергии как в магнитном, так и в электрическом полях является обратимым (в отличие от необратимого преобразования энергии в активном элементе). Запасённая энергия может быть отдана другим элементам.
В заключение следует сказать, что в чистом виде элементы R, L, C не встречаются, использование идеальных элементов – лишь приближённый метод исследования.
Назад:
1.1 Электрическая цепь…
Вперёд:
1.3 Источники электрической эн…