Электронный учебно-метод ический комплекс по учебному предмету
Главная»Раздел 1. Постоянный электрический ток»Электрическая цепь
1.1 Электрическая цепь
Электрическая цепь представляет собой совокупность технических устройств и физических объектов, по которым протекает электрический ток, т.е. происходит упорядоченное направленное движение электрических зарядов.
Для того чтобы заряды перемещались им необходимо передать некоторую энергию и устройство, выполняющее эту функцию, называется источником электрической энергии. Источник электрической энергии является составным элементом электрической цепи. Энергия, передаваемая источником движущимся зарядам, может быть получена только путём преобразования других видов энергии (тепловой, химической, механической, световой) или путём воздействия на электрические заряды магнитным полем, возбуждаемым другим источником.
Создаваемый источником электрический ток может вызывать различные явления: нагревать элементы, по которым он протекает, вызывать свечение веществ, создавать механические усилия.
Технические устройства, в которых получают требуемый эффект от протекания электрического тока называют приёмниками электрической энергии, т.к. в них происходит преобразование электрической энергии в другие виды.
Совместная работа источника и приёмника возможна только при наличии путей движения зарядов между ними. Причём, перемещение зарядов должно происходить с минимальными потерями энергии. Эту функцию в электрических цепях выполняют соединительные линии или провода.
Таким образом, электрическая цепь в общем случае состоит из трёх элементов: источника электрической энергии, приёмника и соединительных проводов.
Состав и связи электрических цепей бесконечно разнообразны, поэтому для их представления используют наборы символов, имеющих различную степень абстракции и называемых схемами. Более всего соответствует реальному объекту (рис. 1.1, а) монтажная схема (рис. 1.1, б). Она удобна для монтажа и ремонта изображённого на ней устройства. На принципиальной схеме (рис. 1.1, в) показывают условные изображения элементов цепи и их соединения. Эти схемы удобны для изучения принципа работы. Наиболее абстрактное представление об электрической цепи дают схемы замещения (рис. 1.1, г). Они предназначены для исследования электромагнитных процессов и являются расчётной моделью соответствующего устройства. Реальные элементы электрической цепи заменяют в схеме замещения расчётными моделями, в которых учитывают только существенные параметры и свойства. Так химический источник (аккумулятор) заменяют идеальным источником ЭДС E и включают последовательно с ним резистор r, соответствующий потерям энергии внутри аккумулятора.
Рисунок 1.1.
Амперметр и вольтметр заменяют их входными сопротивлениями (RA и RV) Соединительные провода считаются идеальными проводниками без потерь, т.е. обладающими нулевым сопротивлением.
Если входное сопротивление амперметра RA существенно меньше сопротивления лампы накаливания RL, а входное сопротивление вольтметра RV существенно больше, то их исключают из схемы замещения (рис. 1.1, д).
Если параметры всех элементов схемы замещения известны, то, пользуясь законами электротехники, можно определить их состояние в любой момент времени. В дальнейшем вместо термина схема замещения электрической цепи мы будем пользоваться сокращёнными терминами– схема цепи или просто схема.
В любой схеме электрической цепи можно выделить один или несколько участков, подключённых к остальной части двумя проводами. Такой участок электрической цепи называется двухполюсником. В простейшем случае двухполюсник состоит из одного элемента цепи, например, лампа накаливания, вольтметр и амперметр на рис. 1.1 являются двухполюсниками. Если двухполюсник не содержит источников электрической энергии, то он называется пассивным, в противном случае двухполюсник относится к активным двухполюсникам. Двухполюсник на рис. 1.1, г-д, состоящий из источника ЭДС E и внутреннего сопротивления r аккумулятора и подключённый к точкам ab схемы замещения, является активным двухполюсником.
При анализе процессов в электрических цепях используют некоторые топологические (геометрические) понятия. К ним относятся понятия узла, ветви и контура. Узлом электрической цепи называют место соединение трёх и более ветвей (например, точка ef рис. 1.2, а-б и точки a, d, ec рис. 1.2, в-г). Но в электрической цепи все токи протекают по соединительным проводам. При этом количество зарядов входящих в любую замкнутую поверхность в каждый момент времени (в том числе в поверхность, которой можно охватить узел) равно числу зарядов выходящих из неё.
Рисунок 1.2.
Отсюда следует, что токи в двух соединённых между собой элементах могут различаться только в том случае, если это соединение является узлом, иначе говоря, отсутствие узлов между связанными элементами электрической цепи является необходимым и достаточным условием равенства тока в них.
Ветвью называют участок электрической цепи с одним или несколькими элементами, по которым проходить один и тот же ток (например, R1 ,R2, E, R3, R4 и R5 на рис 1.2, в-г).
Контуром называется замкнутый путь вдоль ветвей электрической цепи (например, ebae, eade, dcd, adcba на рис1.2, в-г). Узлы, ветви и контуры являются топологическими параметрами цепи и не изменяются при любых преобразованиях схемы, производимых без разрыва связей. Пример такого преобразования показан на рис. 1.2, в-г.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое электрическая цепь?
2. Что такое источник (приёмник) электрической энергии?
3. Какие виды схем используются в электротехнике? Что такое монтажная схема, принципиальная схема и схема замещения?
4. Что такое двухполюсник?
5. Чем отличается пассивный двухполюсник от активного?
6. Дайте определение узла, ветви и контура?
7. Почему во всех элементах ветви протекает одинаковый ток?