Постоянным называется неизменный по направлению электрический ток. Электрическая цепь с таким током называется цепью постоянного тока.
Основными величинами, характеризующими процессы, протекающие в электрических цепях постоянного тока, являются: ЭДС источника E(B), напряжение U(B), потенциал Ψ(B), сила тока I(A), мощность P(Вт).
Основными параметрами цепей и их элементов являются:
сопротивление R(Ом), проводимость G(См).
Графической характеристикой цепи является потенциальная диаграмма, показывающая изменение потенциала от сопротивления по контуру.
Законы электрической цепи
Наиболее важными законами, которым подчиняются процессы, происходящие в электрических цепях, являются закон Ома, два закона Кирхгофа, закон баланса мощностей.
Закон Ома применяется для отдельного участка электрической цепи. Он формулируется так: на участке цепи ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению этого участка.
Из (3.1) получается: U= IR, а также R=U / I
Однако, из последней формулы не следует, что сопротивление R зависит от напряжения U или от тока I.
Первый закон Кирхгофа применяется для определения соотношения между токами в разветвленных цепях. Он формулируется так: алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в электрическом узле, равна нулю.
При этом токи, входящие в узел, берутся со знаком “+”, а токи выходящие из узла- со знаком “-”.
Пример. Составить уравнение по I закону Кирхгофа для узла 1.
I 1 + I 2 – I 3 -I 4 = 0
Второй закон Кирхгофа применяется для замкнутого контура. Он гласит:
В любом замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС источников равна алгебраической сумме падений напряжений на всех сопротивлениях контура.
Σ Ei = Σ Uj (3.3)
Для записи уравнения по II закону Кирхгофа необходимо вначале выбрать направление обхода контура. При записи уравнения ЭДС берется со знаком “+”, если направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура, напряжение берется со знаком “+”, если ток в данном сопротивлении совпадает с направлением обхода контура. В противном случае ЭДС и напряжение берутся со знаком “-”.
Пример. Составить уравнение по II закону Кирхгофа для контура II.
Выбираем направление обхода по часовой стрелке (показано стрелкой).
E 2 -E 3 =U 2 -U 3 -U 4 ;
Учитывая закон Ома, запишем так: E 2 -E 3 =I 2 R 2 -I 3 R 3 -I 3 R 4 .
Закон баланса мощностей гласит: в любой момент времени в электри- ческой цепи выполняется баланс мощностей, т. е. алгебраическая сумма мощностей всех источников электроэнергии равна алгебраической сумме мощностей всех приемников цепи.
Σ Р И i =Σ Р П j (3.4)
Пример для рис. 3.5: E 1 I 1 – E 2 I 2 + E 3 I 3 = U 1 I 1 + U 2 I 2 + U 3 I 3 + U 4 I 3
Режимы работы электрических цепей.
Электрическая цепь может работать в одном из четырех режимов:
– номинальном;
– холостого хода (ХХ);
– короткого замыкания (КЗ);
– согласованном.
Рассмотрим неразветвленную электрическую цепь постоянного тока, состоящую из источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением R ВН, двухпроводной линии сопротивлением R Л и сопротивления нагрузки R Н, величина которого может изменяться (рис. 3.6).
Номинальный – это режим, при котором все элементы электрической цепи могут работать достаточно долгое время, с заданной надежностью. Этот режим характеризуется номинальным напряжением U НОМ, током I НОМ, мощностью Р НОМ и к.п.д. 
которые указываются в паспорте, при этом получим:
Е=I НОМ R ВН +I НОМ R Л +I НОМ R Н; (3.5)
U НОМ =E-I НОМ R ВН (3.6)
Холостой ход – это режим, при котором электрическая цепь разорвана и ток отсутствует, I ХХ =0. В этом режиме можно считать, что R Н → ∞ и U ХХ =Е.
В этом режиме цепь может работать длительное время, без ограничений.
Режим К3 возникает, когда сопротивление приемника (нагрузки) уменьшается до нуля, т.е. R н ≈0.
При этом напряжение на нагрузке равно нулю U=0, а ток нагрузки во много раз превышает номинальный ток.
I КЗ =Е / (R ВН +R Л) (3.7)
Если R Л ≈0, то I КЗ =Е / R ВН, достигая очень больших значений. Поэтому режим К.3.является аварийным режимом.
Cогласованным называется режим электрической цепи, при котором мощность, отдаваемая источником во внешнюю цепь, имеет наибольшее значение.
Такой режим возникает при определенных соотношениях между сопротивлениями R ВН, R Н и R Л. Условие возникновения согласованного режима определяется уравнением
R Н = R ВН + R Л (3.8)
В согласованном режиме к.п.д. составляет 0,5, поэтому этот режим для мощных электроустановок практически не используется. В этом режиме работают лишь некоторые маломощные устройства радио, автоматики и другие.
Источники ЭДС и тока
Источником электроэнергии называется устройство, преобразующее энергию неэлектрической природы в электрическую энергию.
Источники электроэнергии постоянного тока в зависимости от их харак- теристик можно разделить на две группы: источники ЭДС и источники тока.
Источники ЭДС обладает малым внутренним сопротивлением R ВН и на схемах обозначается следующим образом:
Здесь R Н – сопротивление нагрузки, подключенное к клеммам а и б источника ЭДС.
Особенностью источника ЭДС является то, что напряжение на его клеммах при изменении сопротивления нагрузки R Н изменяется не значительно. При этом изменяется ток нагрузки I Н (когда R Н уменьшается, I Н увеличивается и наоборот). Напряжение источника ЭДС определяется выражением:
U=E – I Н R ВН (3.9)
Источник тока обладает малой внутренней проводимостью G ВН и на схеме обозначается так:
При изменении сопротивления нагрузки R Н, подключенной к источнику тока, ток нагрузки I Н изменяется незначительно, При этом изменяется напряжение U на клеммах а и б источника тока (когда R Н увеличивается, напряжение U так же увеличивается) .
Величина тока нагрузки источника тока определяется по формуле
I Н =I К -UG ВН (3.10)
где I К – ток, создаваемый источником тока.
К источникам ЭДС можно отнести электромеханические генераторы, гальванические элементы и аккумуляторы.
К источникам тока можно отнести зарядные устройства, специальные источники электропитания, применяемые в ЭВМ и т.д. .
В зависимости от вида первичной (неэлектрической) энергии источники постоянного тока делятся на: химические, электромашинные, термоэлектрические, фотоэлектрические, ядерные, магнитогидродинамичес- кие(МГД) и т.д.
Химические источники постоянного тока
К химические источники постоянного тока относятся:
– гальванические элементы;
– топливные элементы;
– аккумуляторы.
Гальванические элементы (батарейки) широко распространены.
В гальваническом элементе происходит преобразование химической энергии окислительно-восстановительных реакций в электрическую энергию. Особенностью гальванического элемента является невозможность восстановления его активных материалов после разряда, поэтому они относятся к необратимым элементам. На практике применяются медно-цинковые, медно-магнитные, серебряно-магнитные, окисно-ртутные, угольно-цинковые.
Топливные элементы применяются на космических летательных аппаратах.
В топливных элементах к электродам подводятся топливо и окислитель по мере расходования их в элементе. Материал электрода в этом случае непосредственно в реакциях не участвует и является лишь катализатором.
Аккумуляторы являются в настоящее время наиболее распространенными источниками постоянного тока (свинцовые, серебряно-цинковые и никель-кадмиевые, литионные, и т. д.).
Рассмотрим устройство и принцип действия свинцового аккумулятора.
Основными элементами аккумулятора являются два электрода, помещенные в электролит.
В качестве положительного электрода используется двуокиси свинца РbO 2 , а в качестве отрицательного – губчатый (пористый) свинец Pb.
Электролит – это раствор серной кислоты H 2 SO 4 .
При подключении к электродам аккумулятора сопротивления (нагрузки) электрическая цепь становится замкнутой и через нагрузку течет ток разряда.
При этом в результате химической реакции положительные ионы свинца Pb ++ c отрицательного электрода вступают в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка SO 4 – – , в результате чего на отрицательном электроде остаются отрицательные заряды и образуется сульфат свинца PbSO 4 , который оседает на электроде.
На положительном электроде в результате химических реакций образуется также пленка сульфата свинца PdSO 4 , выделяются положительные заряды, кроме того, в электролите образуются дополнительные молекулы воды Н 2 О.
Таким образом, при разряде на обоих электродах образуется пленка сульфата свинца, уменьшается количество молекул воды, Плотность электролита уменьшается.
При подключении к электродам аккумулятора внешнего источника постоянного тока начинается процесс заряда.
При этом в результате химических реакций пленка сульфата свинца на обоих электродах разлагается. На отрицательном электроде восстанавливается свинец Pb, на положительном – двуокись свинца PbO 2 . В электролите уменьшается количество молекул воды Н 2 О и увеличивается количество молекул серной кислоты H 2 SO 4 .Плотность электролита увеличивается. Химическое уравнение для обоих процессов имеет следующий общий вид
Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 ← → 2PbSO 4 +2H 2 O
Конструктивно аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов, соединенных последовательно и расположенных в эбонитовом моноблоке. Каждый аккумулятор содержит отрицательные и положительные пластины. Пластины одной полярности соединены между собой и образуют полублок. Между положительными и отрицательными пластинами для предотвращения короткого замыкания вставляются изолирующие пластины (сепараторы) из эбонита.
Другие часто применяемые источники постоянного тока электромашинные – генераторы будут рассмотрены дальше в соответствующей теме.
Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и индуктивности.
Сформулируйте законы Кирхгофа. Что отражают они физически?
Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий - отрицательным:
Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:
Физический смысл второго закона Кирхгофа
Второй закон устанавливает связь между падением напряжения на замкнутом участке электрической цепи и действием источников ЭДС на этом же замкнутом участке. Он связан с понятием работы по переносу электрического заряда. Если перемещение заряда выполняется по замкнутому контуру, возвращаясь в ту же точку, то совершенная работа равна нулю. Иначе бы не выполнялся закон сохранения энергии. Это важное свойство потенциального электрического поля описывает 2 закон Кирхгофа для электрической цепи.
Физический смысл первого закона Кирхгофа
Первый закон устанавливает связь между токами для узлов электрической цепи. Он вытекает из принципа непрерывности, согласно которому суммарный поток зарядов, образующих электрический ток, проходящих через любую поверхность равен нулю. Т.е. количество прошедших зарядов в одну сторону равно количеству зарядов, прошедших в другую сторону. Т.е. количество зарядов никуда не может деться. Они не могу прост исчезнуть.
сколько уравнений составляется по первому закону Кирхгофа и сколько по второму?
Кол-во уравнений, первый закон Кирхгофа = Кол-во узлов – 1
Кол-во уравнений, второй закон Кирхгофа = Кол-во ветвей – Кол-во узлов + 1
Понятие независимого контура. Чему равно число независимых контуров в любой цепи?
Независимый контур - это замкнутый участок электрической цепи, проложенный через ветви цепи, содержащий хотя бы одну новую ветвь, неиспользованную при поиске других независимых контуров.
понятия узел, ветвь, электрическая цепь.
Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и способом их соединения. Соединение элементов электрической цепи наглядно отображается ее схемой. Рассмотрим для примера две электрические схемы (рис. 1, 2), введя понятие ветви и узла.
|
Рис.1 |
Рис.2 |
Ветвью называется участок цепи, обтекаемый одним и тем же током.
Узел – место соединения трех и более ветвей.
Что такое потенциальная диаграмма как она строится?
Под потенциальной диаграммой понимают график распределения потенциала вдоль какого-либо участка цепи или замкнутого контура. По оси абсцисс на нем откладывают сопротивления вдоль контура, начиная с какой-либо произвольной точки, по оси ординат - потенциалы. Каждой точке участка цепи или замкнутого контура соответствует своя точка на потенциальной диаграмме.
Каковы особенности режимов работы аккумуляторной батареи?
Метод наложения его достоинства и недостатки
Сущность метода эквивалентного генератора и способы определения параметров активного двухполюсника
Этот метод применяется в тех случаях, когда требуется рассчитать ток в какой-либо одной ветви при нескольких значениях ее параметров (сопротивления и ЭДС) и неизменных параметрах всей остальной цепи. Сущность метода заключается в следующем. Вся цепь относительно зажимов интересующей нас ветви представляется как активный двухполюсник, который заменяется эквивалентным генератором, к зажимам которого подключается интересующая нас ветвь. В итоге получается простая неразветвленная цепь, ток в которой определяется по закону Ома. ЭДС Е Э эквивалентного генератора и его внутреннее сопротивление R Э находятся из режимов холостого хода и короткого замыкания двухполюсника.
Сущность метода контурных токов и напряжения двух узлов.
Метод контурных токов можно применить для расчета сложных электрических цепей, имеющих больше двух узловых точек. Сущность метода контурных токов заключается в предположении, что в каждом контуре проходит свой ток (контурный ток). Тогда на общих участках, расположенных на границе двух соседних контуров, будет протекать ток, равный алгебраической сумме токов этих контуров.
Режимы работы источников питания.
Покажите, что условием максимальной передачи мощности от источника к приемнику электрической энергии является равенство R вн= R н
Эта статья для тех, кто только начинает изучать теорию электрических цепей. Как всегда не будем лезть в дебри формул, но попытаемся объяснить основные понятия и суть вещей, важные для понимания. Итак, добро пожаловать в мир электрических цепей!
Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм .
Электрические цепи
– это совокупность устройств, по которым течет электрический ток.
Рассмотрим самую простую электрическую цепь. Из чего она состоит? В ней есть генератор – источник тока, приемник (например, лампочка или электродвигатель), а также система передачи (провода). Чтобы цепь стала именно цепью, а не набором проводов и батареек, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками. Ток может течь только по замкнутой цепи. Дадим еще одно определение:
– это соединенные между собой источник тока, линии передачи и приемник.
Конечно, источник, приемник и провода – самый простой вариант для элементарной электрической цепи. В реальности в разные цепи входит еще множество элементов и вспомогательного оборудования: резисторы, конденсаторы, рубильники, амперметры, вольтметры, выключатели, контактные соединения, трансформаторы и прочее.
Классификация электрических цепей
По назначению электрические цепи бывают:
- Силовые электрические цепи;
- Электрические цепи управления;
- Электрические цепи измерения;
Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи ведут ток к потребителю.
Также цепи разделяют по силе тока в них. Например, если ток в цепи превышает 5 ампер, то цепь силовая. Когда вы щелкаете чайник, включенный в розетку, Вы замыкаете силовую электрическую цепь.
Электрические цепи управления не являются силовыми и предназначены для приведения в действие или изменения параметров работы электрических устройств и оборудования. Пример цепи управления – аппаратура контроля, управления и сигнализации.
Электрические цепи измерения предназначены для фиксации изменений параметров работы электрического оборудования.
Расчет электрических цепей
Рассчитать цепь – значит найти все токи в ней. Существуют разные методы расчета электрических цепей: законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов и другие. Рассмотрим применение метода контурных токов на примере конкретной цепи.
Сначала выделим контуры и обозначим ток в них. Направление тока можно выбирать произвольно. В нашем случае – по часовой стрелке. Затем для каждого контура составим уравнения по 2 закону Кирхгофа. Уравнения составляются так: Ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и общих сопротивлений этих контуров. Для нашей схемы:
Полученная система решается с подставкой исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находим как алгебраическую сумму контурных токов
Какую бы цепь Вам ни понадобилось рассчитать, наши специалисты всегда помогут справится с заданиями. Мы найдем все токи по правилу Кирхгофа и решим любой пример на переходные процессы в электрических цепях. Получайте удовольствие от учебы вместе с нами!
§ 1.1. Электромагнитное поле как вид материи.
Под электромагнитным полем понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимосвязанных и взаимообусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле может существовать при отсутствии другого вида материи - вещества, характеризуется непрерывным распределением в пространстве (электромагнитная волна в вакууме) и может проявлять дискретную структуру (фотоны). В вакууме поле распространяется со скоростью света, полю присущи характерные для него электрические и магнитные свойства, доступные наблюдению.
Электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды. Силовое воздействие положено в основу определения двух векторных величин, описывающих поле: напряженности электрического поля и индукции магнитного поля На заряд (Кл), движущийся со скоростью v в электрическом поле напряженности Е и магнитном поле индукции В, действует сила Лоренца
Электромагнитное поле обладает энергией, массой и количеством движения, т. е. такими же атрибутами, что и вещество. Энергия в единице объема, занятого полем в вакууме, равна сумме энергий электрической и магнитной компонент поля и равна здесь - электрическая постоянная, - магнитная постоянная, Гн/м. Масса электромагнитного поля в единице объема равна частному от деления энергии поля на квадрат скорости распространения электромагнитной волны в вакууме, равной скорости света.
Несмотря на малое значение массы поля по сравнению с массой вещества, наличие массы поля указывает на то, что процессы в поле являются процессами инерционными. Количество движения единицы объема электромагнитного поля определяется произведением массы единицы объема поля на скорость распространения электромагнитной волны в вакууме.
Электрическое и магнитное поля могут быть изменяющимися и неизменными во времени. Неизменным в макроскопическом смысле электрическим полем является электростатическое поле, созданное совокупностью зарядов, неподвижных в пространстве и неизменных во времени. В этом случае существует электрическое поле, а магнитное отсутствует. При протекании постоянных токов по проводящим телам внутри и вне их существует электрическое и магнитное поля, не влияющие друг на друга, поэтому их можно рассматривать раздельно. В изменяющемся во времени поле электрическое и магнитное поля, как упоминалось, взаимосвязаны и обусловливают друг друга, поэтому их нельзя рассматривать раздельно.