Постоянные и переменные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели и реле, их назначение и принцип работы.

Участки материальной среды в которых существует ЭМП при некоторых обоснованных, но незначительных допущениях могут быть представлены идеализированными интегральными характеристиками (параметрами), которые связывают между собой токи и напряжения введенные на этих участках. К таким участкам относятся пассивные элементы ЭЦ. Рассмотрим эти элементы.

Электрическое сопротивление

Если в некоторых проводящих частях материальной среды, то есть участках электротехнического устройства заполненных проводящей средой (проводниками), существует ЭМП и в процентном соотношении энергия токов проводимости значительно преобладает над энергией токов электрического смещения стекающих в окружающую проводник диэлектрическую среду и энергией магнитного поля в этой части пространства, то эту часть среды можно в интегральном смысле заменить некоторым условным элементом, называемым электрическое сопротивление . Элемент электрическое сопротивление призван связать между собой электрический ток проводимости, проходящий через эту проводящую часть пространства, и электрическое напряжение между граничными точками рассматриваемого участка.

Математически эта связь записывается в виде:

или

и называется закон Ома. В электрических цепях такой участок изображается в виде схемы (рис. 1).

рис.1

Полученный элемент ЭЦ является идеализированным, так как введен при вышеописанных идеализациях энергетических процессов в ЭМП.

Величина, обратная электрическому сопротивлению называется электрической проводимостью :

.

Энергия электрического поля, поступающая в проводящий участок

безвозвратно теряется в нем, преобразуясь в тепловую энергию (проводник нагревается). Мощность этой энергии определяется током и напряжением этого участка среды

.

Данное выражение называется закон Джоуля – Ленца. С учетом закона Ома, связывающего ток и напряжение проводящего участка закон Джоуля – Ленца может быть записан в других формах

, .

Таким образом, введенный идеализированный элемент – электрическое сопротивление оценивает безвозвратно потребляемую электрическую энергию в нем.

В системе Си электрическое сопротивление измеряется в Омах (), мощность в ваттах (). При больших значениях сопротивления и мощности используют в качестве единиц измерения килоомы (), мегаомы (), киловатты (),мегаватты ().

Следует отметить, что при выборе направлений отсчета (стрелок) тока и напряжения на навстречу друг другу в законах Ома и Джоуля – Ленца появляется знак минус (рис.2)

, .

рис.2

Емкость

Если ЭМП существует в части пространства заполненной диэлектрической средой с током электрического смещения в ней и в процентном соотношении энергия определяемая этим током значительно превосходит энергию магнитного поля и энергию токов проводимости появляющихся в этой среде в связи с несовершенством диэлектрика, то эту часть среды можно в интегральном смысле заменить некоторым условным элементом, называемым емкость . Этот элемент связывает между собой ток электрического смещения протекающий через данную часть пространства и напряжение между граничными точками рассматриваемой диэлектрической среды

или

.

В электрических цепях такой участок изображается в виде схемы (рис. 3)

рис.3

Емкость оценивает энергию электрического поля , поступающего в диэлектрическую среду участка и запасенную в ней

.

Если электрическое поле не изменяется во времени, то есть постоянно, то процесс переполяризации диэлектрика отсутствует и ток электрического смещения равен нулю. Следовательно, в режиме постоянного тока емкость является разрывом для цепи на данном участке.

В элементе емкость не происходит преобразования энергии электрического поля в другие виды энергии, а осуществляется запасание (консервирование) этой энергии. Если сравнивать энергетические процессы в элементах и , то они в чем-то напоминают энергетические процессы в механике, где разделяется физическая сущность кинетической и потенциальной энергий.

В системе Си емкость измеряется в фарадах (). При малых значениях емкости часто используют такие единицы измерения как микрофарады (), нанофарады (), пикофарады ().

Индуктивность

Как было отмечено ЭМП кроме электрической составляющей имеет и магнитную. Магнитное поле появляется там, где есть движущиеся заряды, то есть электрический ток, в виде вихрей вокруг линий тока.

Больших концентраций энергии магнитного поля можно добиться с помощью катушек намотанных на каркас большим числом витков. Если в процентном соотношении энергия магнитного поля сосредоточенного в области катушки значительно преобладает над энергией тока проводимости в витках катушки и энергий тока электрического смещения стекающего с поверхности витков в окружающую диэлектрическую среду, тогда данный участок можно представить в виде идеализированного элемента индуктивность L. Условное изображение этого элемента в электрических схемах представлено на рис.4

u(t)

i(t)

L

рис.4

Ток, создающий магнитное поле и напряжение, вычисленное между точками входа тока в катушку и его выхода по пути, где магнитное поле уже практически отсутствует связаны соотношениями:

Индуктивность L оценивает энергию магнитного поля запасного в объеме данного участка

Если магнитное поле не изменяется во времени, то есть создается постоянным током, то напряжение на этом элементе будет равно нулю. В режиме постоянного тока индуктивность становиться “закороткой” то есть нулевым сопротивлением. Физическое объяснение этого факта связано с тем, что напряжение появляется в переменных магнитных полях как следствие действия закона электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Энергия магнитного поля также не преобразуется в данной части пространства в другие виды энергии, и только консервируется в нем (запасается).В системе Си индуктивность измеряется в генри (Гн).

Кроме введенных выше пассивных идеализированных элементов в ЭЦ действуют и активные идеализированные элементы.

Активные элементы ЭЦ.

Электрическое поле существующее в проводящей среде и не изменяющееся во времени обладает свойством потенциальности. Суть этого свойства поля в том, что оно может переместить заряд из одной точки среды в другую, но не способно вернуть этот заряд в начальную точку, из которой он начал перемещаться. Математически условие потенциальности записывается в виде:

.

Следовательно, для обеспечения непрерывного перемещении зарядов по замкнутым путям, то есть создания токов в проводящих средах, необходимо на отдельных участках этого пути создать силы не электрического характера способные перенести заряды с которыми не “справилось” электрическое поле. Такие силы называются сторонние силы. Типичным примером сторонних сил являются химические силы электролитической диссоциации, используемые в аккумуляторах. Работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда из одной точки среды в другую называется электродвижущий силой (ЭДС).

Другим примером сторонних сил является совместное действие механических сил и переменного магнитного поля. Действительно, если перемещать проводник в магнитном поле, то появляется сила (Лоренца) выполняющая роль ЭДС. Источник таких сторонних сил- это вращающиеся электрические машины называемые генераторами.

В электрических цепях источники ЭДС изображаются в виде (рис5).

рис.5

Если источники ЭДС постоянные (например, аккумуляторная батарея), то их схематически часто изображают в виде (рис.6).

рис.6

Источники ЭДС, разделяя и перемещая заряды порождают тем самым электрическое поле. По закону сохранения энергии работа сил этого поля по перемещению зарядов вне источника ЭДС и работа сторонних сил должны совпадать. Следовательно источник ЭДС создает напряжение электрического поля равное ЭДС

Это основное свойство идеализированного источника ЭДС, то есть независимо от конфигураций подключаемых к ЭДС проводящих сред (проводников) напряжение на границах (на входе цепи) остается неизменным и равным ЭДС. Поэтому такие источники ЭДС называют источниками напряжения.

Кроме источников напряжения в качестве источников сторонних сил существует и источники тока. В отличие от источников напряжений эти источники вырабатывают движущиеся заряды то есть ток, причем величина тока уже предопределена, задана и не зависит от количества подключаемых элементов. Физической интерпретацией такого источника в какой-то мере может служить источник радиоактивного излучения. В практической радиотехнике к источникам тока относят, например, усилители сигналов на транзисторах.

Условное изображение идеализированного источника тока в ЭЦ представлено на рис.7

рис.7

Таким образом моделирование ЭМП реального электротехнического устройства может быть осуществлено с помощью двух групп идеализированных элементов: пассивных и активных.

В результате такого моделирования упрощенная модель ЭМП называется электрическая цепь (ЭЦ).Изображение ЭЦ с помощью идеализированных элементов называется электрической схемой (схемой замещения).

Разделение ЭМП на идеализированные участки кроме всего прочего отражает и реальный факт существования элементной базы радиотехнических схем в виде резисторов, катушек индуктивностей и конденсаторов.

При различных режимах работы этих реальных элементов они представляются в виде схем замещения через идеализированные пассивные элементы ЭЦ.

1. Резистор.

В первом приближении схем замещения резистора (рис.1)- это сопротивление R

Более подробно о резисторе будет сказано при изучении дисциплины «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника».

Напомним только, что сопротивление металлического проводника длиной и сечением рассчитывается по формуле:

,

где – удельная проводимость материала проводника. Сопротивление, вычисленное по этой формуле соответствует сопротивлению проводника при постоянном токе в нем. Часто это сопротивление называют оммическим.

При переменном токе в проводнике наблюдается ток называемый поверхностный эффект, приводящий к неравномерному распределению тока по сечению S и, как следствие, к изменению величины сопротивления. С увеличением частоты тока сопротивление растет. Поэтому часто сопротивление резистора на постоянном токе обозначают как , а на переменном как .

2. Катушка индуктивности

В схеме замещения катушки индуктивности необходимо учитывать потери энергии на сопротивлении обмоточного провода, в ферромагнитном сердечнике и экране. Поэтому в первом приближении схема замещения катушки индуктивности имеет вид, представленный на рис.8.

рис.8

В режиме постоянного тока катушка индуктивности представляет собой сопротивление . Схема на рис.8 применяется при анализе в области низких и средних частот. При необходимости учета энергии токов электрического смещения (в области высоких частот) используются схемы замещения второго прядка (рис.9).

рис.9

3. Конденсатор

Основным идеализированным элементом конденсатора является емкость (рис.10а). Однако в случае учета несовершенства диэлектрика и связанных с ним токов прводимости в конденсаторе в схему замещения вводится элемент сопротивление (рис.10б).

С

С

R

а) б)

рис.10

Следовательно, в режиме постоянного тока конденсатор представляется в виде сопротивления (или проводимости ).

Из рассмотренного материала следует, что относительно несложные реальные электрические цепи при учете свойств реальных элементов могут иметь достаточно сложную схему замещения.

4. Источники электрической энергии

Реальные источники электрической энергии также представляются схемой замещения, состоящей из идеализированных элементов. Реальный источник напряжения представляют в виде последовательно соединенных источника эдс и сопротивления называемого внутренним сопротвлением источника (рис.11).

рис.11

Реальный источник тока представляют в виде соединения идеального источника тока и параллельно включенного сопротивления называемого внутренним сопротвлением источника (рис.12).

рис.12

Очевидно, реальные источники напряжения и тока являются эквивалентными то есть могут быть взаимно преобразованы, причем значение сопротивления в схемах рис.11 и рис.12 будет одинаковым.

.

Таким образом, моделирование любой ЭЦ может быть осуществлено с помощью двух групп идеализированных элементов: пассивных и активных. В группу пассивных входят элементы, обладающие свойствами рассеивать и запасать энергию. К ним относятся: сопротивление, индуктивность, емкость. В группу активных входят элементы, которые вносят энергию в ЭЦ. К ним относятся источники тока и напряжения. Твердое знание свойств изученных элементов поможет глубже понять принципы работы типовых устройств техники связи.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Напомнить тему, учебные цели и степень их достижения. Объявить оценки за ответы студентов на вопросы. Дать задания на самостоятельную работу, высветить соответствующий слайд рекомендованной литературы для самостоятельной работы. При этом целесообразно дать предельно краткую аннотацию.

Ответить на вопросы студентов, для чего оставить 2 – 3 мин. При ответах на вопросы лучше не повторять дословно положений, о которых уже говорилось в ходе лекции, а дать им дополнительные доказательства и обоснования или в зависимости от характера вопроса сообщить новый материал.

Подать команду об окончании занятия.

Задание на самостоятельную работу:

1. Выучить материал изложенный в ходе сегодняшнего группового занятия.

2. Быть готовыми к следующему занятию краткому опросу по пройденному

материалу

Старший преподаватель военной кафедры войск связи, тактики и общевоенных дисциплин

подполковник запаса Саламахин И. И.

Дата добавления: 2015-07-14