Электрическая схема, схема электрической цепи, схема замещения электрической цепи

1) Схема электрической цепи и элементы схемы [1, с. 16 – 17]

Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и способом их соединения.

Реальные элементы электрической цепи идеализируются для упрощения математического описания элемента электрической цепи. Однако идеализированные уравнения должны правильно отражать основные физические явления в том или ином реальном элементе электрической цепи.

Идеализированному элементу электрической цепи ставят в соответствие его математическую модель — схемный элемент. Уравнения, описывающие схемный элемент, идентичны идеализированным уравнениям реального элемента электрической цепи. Схемные элементы могут быть введены и как математические абстракции; при этом они необязательно должны соответствовать каким-либо реальным элементам электрической цепи. Однако любой реальный элемент электрической цепи с необходимой степенью точности можно представить с помощью одного или совокупности схемных элементов, соединенных определенным образом. Такую совокупность схемных элементов (в частном случае один схемный элемент) называют схемой замещения или эквивалентной схемой элемента электрической цепи при условии совпадения уравнений, описывающих эту схему и элемент электрической цепи.

Каждому схемному элементу соответствует условное геометрическое изображение. Тогда способ соединения элементов реальной цепи легко представить с помощью соответствующего соединения схемных элементов. Геометрическое изображение соединения схемных элементов, отображающее соединение реальных элементов электрической цепи и ее свойства, называют схемой электрической цепи (схемой цепи).

В схеме выделяют ветви — участки, которые характеризуются одним и тем же током в начале и конце в любой момент времени, и узлы — граничные (концевые) точки ветвей. Напряжение ветви тождественно разности потенциалов ее узлов.

Ветвям и узлам схемы электрической цепи, как правило, соответствуют ветви и узлы реальной электрической цепи. В схемах электрических цепей, содержащих многополюсные элементы, некоторые узлы и ветви могут не отображать узлы и ветви цепи. Кроме того, некоторые ветви схемы вводят для учета конструктивных и монтажных параметров цепи(например, паразитных емкостей между зажимами элемента, емкостей монтажа, индуктивностей выводов).

Применительно к электрической цепи ветвь часто определяют как участок цепи, в любом сечении которого ток имеет одно и то же значение в данный момент времени, а узел — как «место» соединения ветвей.

2 Схема электрической цепи [2, с. 131 – 136]

Электрическую цепь на чертежах изображают в виде схемы электрической цепи, под которой понимают графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов. Например, на рис. 2.1 представлена электрическая схема цепи, в которую входят следующие устройства: генератор переменного тока 1, трансформаторы 2 и 5, линии электропередачи 3 и 4, преобразователь переменного тока в постоянный 6, нагрузка 7.

Рис. 2.1

Исследование процессов в электрической цепи требует знания связей между токами и напряжениями отдельных ее участков. Эти связи могут быть определены в виде математических соотношений, например, вида (u = r·i, u_L = L·di/dt и др.). Они могут быть заданы и в виде вольтамперных или иных характеристик.

Записанные в аналитической форме соотношения между токами, напряжениями, зарядами, потокосцеплениями элемента электрической цепи являются математической моделью этого элемента электрической цепи.

Так, например, u = r·i есть математическая модель резистора; u_L = L·di/dt – математическая модель идеальной индуктивной катушки; u = r·i + L·di/dt – приближенная математическая модель либо реальной катушки при условии пренебрежения токами смещения между витками катушки, либо цепи, содержащей резистор и идеальную индуктивную катушку, включенные последовательно.

Обратно, математическим соотношениям, приведенным выше, могут быть поставлены в соответствие электрические цепи, содержащие идеальные индуктивные катушки и резисторы.

Математическим соотношениям между, токами, напряжениями, потокосцеплениями, зарядами и другими величинами, следовательно, могут быть поставлены в соответствие электрические цепи, содержащие только идеализированные элементы г, L, С, M, E, J и др. Очевидно, схемы таких электрических цепей и сами электрические цепи тождественны, так как каждому элементу схемы электрической цепи соответствует единственный элемент идеализированной электрической цепи.

Таким образом, для расчета процессов в электрической цепи следует определить математические соотношения для отдельных участков исходной цепи, по этим соотношениям построить некую другую (идеализированную) электрическую цепь, анализ процессов в которой заменит анализ процессов в исходной реальной электрической цепи.

Схему этой другой (идеализированной) электрической цепи, отображающей при определенных условиях свойства реальной цепи, называют схемой замещения электрической цепи или кратко – схемой замещения.

Рассмотрим в качестве примера электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 2.1. Можно составить некоторую схему замещения (рис. 2.2) этой цепи.

Рис. 2.2

Приведенная на рис. 2.2, а схема замещения электрической цепи, схема которой дана на рис. 2.1, является приближенной в пределах тех допущений, которые сделаны при представлении схем замещений отдельных устройств, входящих в состав цепи.

Для каждого элемента схемы рис. 2.2, а могут быть записаны в аналитическом или графическом виде соотношения между токами, напряжениями, зарядами и потокосцеплениями. Составление математических соотношений, а следовательно, и схем замещений является специфической для инженера задачей, решение которой требует глубокого понимания особенностей электромагнитных процессов, умения решать в общем случае задачи исследования распределения электромагнитного поля.

Обычно термин «электрическая цепь» применяется к цепи с идеализированными элементами, электрическая схем а и схема замещения которой тождественны.

Электрическая цепь и соответственно схема цепи имеют в общем случае ветви и узлы.

Ветвью электрической цепи и соответственно ее схемы называют весь участок электрической цепи, в котором в любой момент бремени ток имеет одно и то оке значение вдоль всего участка.

Узлом электрической цепи и соответственно ее схемы называют место соединения ветвей. На схеме узел изображают точкой.

3. Модели и схема электрической цепи [3, с. 22 – 25]

Электрические цепи, используемые в современной радиоэлектронике, образуются, как правило, из связанных друг с другом соединительными проводами ее компонентов: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и транзисторов, предназначенных для приближенной практической реализации соответственно резистивных сопротивлений, емкостей, индуктивностей и активных элементов электрических цепей.

При анализе колебаний в реальной электрической цепи она заменяется некоторой идеализированной цепью из того или иного числа элементов, колебания в которой пренебрежимо мало отличаются от колебаний в анализируемой электрической цепи. Идеализированную электрическую цепь, свойства которой аппроксимируют (представляют приближенно) свойства реальной электрической цепи, будем называть моделью электрической цепи. Каждой конкретной модели электрической цепи соответствует система уравнений, благодаря решению которой удается оценить те или иные свойства электрической цепи. Эта система уравнений получила название математической модели электрической цепи.

Графическое изображение модели электрической цепи называют схемой замещения цепи, или просто схемой цепи (иногда электрической схемой). Схема электрической цепи отражает как число и характер элементов электрической цепи, из которых состоит модель электрической цепи, так и порядок соединения их между собой.

Рис. 3.1

Различие между понятиями «электрическая цепь» и „ модель электрической цепи “ иллюстрирует рис. 3.1. На нем приведены схематическое изображение цепи, составленной из дискретных резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности (рис. 3.1, а), и схема модели этой цепи, составленная в предположении, что ее компоненты точно моделируются соответствующими пассивными элементами (рис. 3.1, б).

Понятия «электрическая цепь» и „ схема электрической цепи “ часто отождествляются.

Чем полнее и точнее должна отражать модель электрической цепи свойства электрической цепи, тем сложнее она становится, т. е. тем большее число элементов она содержит. Ясно, что в каждом конкретном случае следует применять модель не сложнее той, которая позволяет решить задачу анализа с требуемой точностью.

Необходимо иметь в виду и принципиальную возможность физического осуществления электрической модели исходной электрической цепи, после чего эта модель становится, в свою очередь, электрической цепью. Вместе с тем следует помнить, что переход от реальной электрической цепи к схеме электрической связан с рядом допущений. Схема электрической цепи является схемой модели электрической цепи и может быть использована для изучения ее свойств лишь в границах, в которых модель с достаточной точностью воспроизводит свойства реальной электрической цепи.

2)

Билет 24

1)

2) Резистор (англ. resistor, от лат. resisto - сопротивляюсь), - пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, т.е. для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току через него U(t) = R*I(t). И в соответствии с законом Ома их сопротивление можно записать как: Сопротивление (R) [Ом] = напряжения (U) [В] / ток (I) [А].

3) Иное название этого термина — «Сопротивление». Но в нашем случае это два разных понятия т.к. в данном реферате я пишу о резисторе как элементе, который обладает свойством – сопротивления.

4) Сопротивление - это одна из основных физических величин классической электротехники наряду с другими понятиями - напряжением, током, мощностью, электрической емкостью, индуктивностью. Сопротивление, строго говоря, величина абстрактная в том смысле, что определяя по формуле закона Ома его значение, вы вовсе не обязательно имеете в виду какую-либо деталь. Речь может идти просто о величине электрического сопротивления, а чего именно - в большинстве случаев вообще не имеет значения. В то же время в ряде случаев сопротивление - понятие вполне осязаемое: его можно не только вычислить по формуле, но и точно измерить прибором (т. е. определить его значение в установленных условных единицах).

5) Номиналы резисторов, выпускаемых в настоящее время, лежат в диапазоне от долей Ома, до десятков мегаом. При протекании тока через резистор мощность выделяется в форме тепла. Температура резистора возрастает до тех пор, пока излученное тепло не станет равным теплу, поглощённому окружающей средой. Возрастание температуры определяется максимальной мощностью, которая может быть рассеяна резистором.

6) Практические резисторы более или менее приближаются к идеалу, но на практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики.

7) резистор устройство электрический

8)

9) Классификация

10) По классификации резисторы подразделяются:

11) · постоянные резисторы — номинал сопротивления не управляется

12) · переменные управляемые резисторы:

13) o потенциометры

14) o реостаты,

15) o подстроечные резисторы

16) · специальные резисторы

17) o нелинейные — ВАХ нелинейна,

18) o терморезисторы — сопротивление зависит от температуры,

19) o фоторезисторы — сопротивление зависит от освещённости

20) o тензорезисторы — сопротивление зависит от деформации резистора,

21) o магниторезисторы — сопротивление зависит от величины магнитного поля.

22) Наиболее широкое применение, конечно, получили постоянные резисторы, без которых не обходится не одно из современных «серьёзных» электронных устройств.

23) Отдельно отмечу проволочные постоянные резисторы, выпускаются следующих типов:

24) · ПКВ - на керамическом основании, влагостойкие, многослойные группы I и II (резисторы группы II предназначены для работы а условиях сухих и влажных тропиков) ПТМН - многослойные нихромовые малогабаритные;

25) · ПТМК - многослойные константановые малогабаритные

26) · ПТ - проволочные точные;

27) · ПЭ - эмалированные трубчатые невлагостойкие;

28) · ПЭВ - эмалированные трубчатые влагостойкие;

29) · ПЭВР - эмалированные трубчатые влагостойкие регулируемые;

30) · ОПЭВЕ - повышенной надежности и долговечности;

31) · ПЭВТ - термостойкие влагостойкие (тропические);

32) Все проволочные резисторы рекомендуется использовать в цепях постоянною и переменного тока с частотой не выше 50 Гц.

33) Параметры и характеристики

34) Номинальное сопротивление - электpическое сопpотивление, значение котоpого обозначено на pезистоpе и котоpое является исходным для отсчета отклонений от этого значения. Hоминальное сопpотивление pезистоpа обычно указывают на электpических пpинципиальных схемах pядом с позиционным обозначением pезистоpа. Фактическое сопpотивление каждого pезистоpа может отличаться и отличается от номинального, но не более чем на величину допустимого отклонения. Пpомышленностью выпускаются pезистоpы с номинальным сопpотивлением от долей Ома до нескольких МегаОм.

35) Допустимое отклонение - хаpактеpизует степень pазбpоса, отклонения от номинального значения для pезистоpов данного класса точности. Допустимое отклонение указывается в пpоцентах от номинала. Допустимые отклонения номиналов pезистоpов общего пpименения достаточно велики 20, 10, 5 пpоцентов. Для высоко пpецизионных pезистоpов допуск на отклонение может достигать значений в 0,1%.

36) Номинальная мощность рассеивания - это пpедельное значение мощности в Ваттах (Вт), котоpую может pассеивать pезистоp в виде излучаемой теплоты и пpи котоpой pезистоp может pаботать длительное вpемя, сохpаняя паpаметpы в заданных пpеделах. Hоминальную мощность pессеивания pезистоpов выбиpают из номинального pяда 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и т.д. Вт.

37) Пpи пpотекании электpического тока чеpез pезистоp выделяется тепло и pезистоp нагpевается. Величину мощности, котоpую должен pассеять pезистоp, pасчитывают по фоpмуле

38) P = I² R

39) Обычно ноpмиpуется номинальное значение pассеиваемой мощности.

40) Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) - хаpактеpизует изменение сопpотивления pезистоpа относительно номинального значения пpи изменении темпеpатуpы на один гpадус. Резистоpы могут иметь положительный ТКС, когда сопpотивление pезистоpа увеличивается пpи возpастании темпеpатуpы, и отpицательный ТКС, когда сопpотивление pезистоpа пpи возpастании темпеpатуpы уменьшается. ТКС хаpактеpизует обpатимые изменения сопpотивления pезистоpа. Чем меньше ТКС, тем лучшей темпеpатуpной стабильностью обладает pезистоp.

41) Предельное рабочее напряжение - максимальное напpяжение для данного типа pезистоpов,зависящее от его констpукции и pазмеpов. Пpи напpяжении не пpевышающем допустимое pезистоp может эксплуатиpоваться длительное вpемя.

42) Уровень собственных шумов pезистоpа хаpактеpизует шумы, возникающие в пpоводящем слое. Этот паpаметp игpает существенную pоль в электpоннных усилителях с большим коэффициентом усиления.

43) Даже идеальный резистор при температуре выше абсолютного нуля является источником шума. Это следует из фундаментальной флуктуационно-диссипационной теоремы (в применении к электрическим цепям это утверждение известно также как теорема Найквиста). При частоте, существенно меньшей чем (где — постоянная Больцмана, — абсолютная температура резистора в градусах Кельвина, — постоянная Планка) спектр теплового шума равномерный («белый шум»), спектральная плотность шума (преобразование Фурье от коррелятора напряжений шума) , где . Видно, что чем больше сопротивление, тем больше эффективное напряжение шума, также, эффективное напряжение шума пропорционально корню из температуры.

44) Даже при абсолютном нуле температур у резисторов, составленных из квантовых точечных контактов будет иметься шум, обусловленный Ферми-статистикой. Однако такой шум устраним путём последовательного и параллельного включения нескольких контактов.

45) Уровень шума реальных резисторов выше. В шуме реальных резисторов также всегда присутствует компонента, интенсивность которой пропорциональна обратной частоте, то есть 1/f шум или «розовый шум». Этот шум возникает из-за множества причин, одна из главных перезарядка ионов примесей, на которых локализованы электроны.

46) Вольт – амперная характеристика резистора

47) Поведение pезистоpа пpи включении его в электpическую цепь хаpактеpизуется его электpическими паpаметpами и хаpактеpистиками. Фуннкциональная зависимость между величиной пpиложенного напpяжения и значением электpического тока, пpотекающего чеpез pезистоp, в соответствии с законом Ома, называется вольт - ампеpной хаpактеpистикой. (Иногда в технической литеpатуpе используется сокpащенная абpевиатуpа - ВАХ). Гpафик этой зависмости, как показано на pис.1 в декаpтовой системе кооpдинат "напpяжение - U, ток - I" имеет вид пpямой линии, пpоходящей чеpез начало кооpдинат.

48)

Рис. 1

49)

50) Если к pезистоpу приложено положительное напряжение, ток пpотекает в положительном напpавлении. Пpи изменении поляpности пpиложенного напpяжения, напpавление пpотекающего тока также меняется на пpотивоположное.

51) Резистоpы с линейной вольт - ампеpной хаpактеpистикой называются ЛИHЕЙHЫМИ pезистоpами. В отличие от аналогичных элементов, напpимеp, ваpистоpов, теpмистоpов, у котоpых вольт - ампеpная хаpактеpистика имеет нелинейный хаpактеp. Такие pезистоpы называются HЕЛИHЕЙHЫМИ. Чем больше номинальное сопpотивления pезистоpа, тем меньше угол наклона " " вольт - ампеpной хаpактеpистики к оси абсцисс, тем более полого на гpафике pасполагается вольт - ампеpная хаpактеpистика. Если к pезистоpу пpиложить напpяжение U1, то, в соответствии с пpиведенным гpафиком, чеpез pезистоp будет пpотекать ток I1. Точку А пpинято называть pабочей точкой. Ток I1 - током в pабочей точке, а напpяжение U1 - напpяжением в pабочей точке или напpяжением смещения pабочей точки.

52) Электрические соединения резисторов

53) Последовательное соединение pезистоpов - это такое соединение, пpи котоpом конец пеpвого pезистоpа соединяется с началом втоpого, конец втоpого - с началом тpетьего и так далее. При последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются.

54)

55) R общ. = R1 + R2 + R3 +... + Rn.

56) Параллельное соединение pезистоpов - это такое соединение, пpи котоpом начала всех pезистоpов соединяются в одной точке, называемой узлом, а концы всех pезистоpов соединяются в дpугой точке, в дpугом узле. При параллельном соединении резисторов складываются величины, обратные пропорциональные сопротивлению.

57)

58)

59) Зависимость сопротивления от температуры

60) Сопротивление металлических и проволочных резисторов немного зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная , так как коэффициенты 2 и 4 порядка достаточно малы и при обычных измерениях ими можно пренебречь. Коэффициент называют температурным коэффициентом сопротивления. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве термометров. Сопротивление полупроводниковых резисторов может зависеть от температуры сильнее, возможно, даже экспоненциально по закону Аррениуса, однако в практическом диапазоне температур и эту экспоненциальную зависимость можно заменить линейной.

61) Система условных обозначений

62) В России условные графические обозначения резисторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74. В соответствии с ним, постоянные резисторы обозначаются следующими образом:

2)

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. В Европе он появился приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физикаХ. Эрстеда. Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся ее повернуть. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.

По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции который определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующийся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора Такое исследование позволяет наглядно представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор направлен по касательной. Пример линий магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током приведен на рис. 1.16.1.

Рисунок 1.16.1. Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции

Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.

Для того, чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора но и его модуля. Проще всего это сделать, внося в исследуемое магнитное поле проводник с током и измеряя силу, действующую на отдельный прямолинейный участок этого проводника. Этот участок проводника должен иметь длину Δ l, достаточно малую по сравнению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Как показали опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока I, длине Δ l этого участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции:

F ~ I Δ l sin α.

Эта сила называется силой Ампера. Она достигает максимального по модулю значения F _max, когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям магнитной индукции. Модуль вектора определяется следующим образом:

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине Δ l:

В общем случае сила Ампера выражается соотношением:

F = IB Δ l sin α.

Это соотношение принято называть законом Ампера.

В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).

Тесла – очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно 0,5·10^–4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл.

Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 1.16.2).

Рисунок 1.16.2. Правило левой руки и правило буравчика

Если угол α между направлениями вектора и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера более удобно пользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы Ампера (рис. 1.16.2). Правило буравчика часто называют правилом правого винта.

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установленыАмпером. Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.

Дата добавления: 2015-08-13