1. Электрические и магнитные цепи.

1. Электрические и магнитные цепи.

1.1.Электрические цепи.

1.1.1.Основные понятия и определения.

Электрической цепью называется совокупность устройств, которые генерируют, передают, преобразуют и потребляют электрическую энергию.

Основными элементами электрической цепи являются:

-источники электрической энергии;

-приёмники электрической энергии;

-преобразователи электрической энергии;

-вспомогательные элементы;

-соединительные провода.

Устройства, предназначенные для получения электрической энергии, называются источниками электрической энергии.

Источники электрической энергии делятся на электромагнитные и электростатические.

К электромагнитным источникам относятся: генераторы постоянного и переменного тока, условные графические изображения которых показаны на рис.1.1.а,б,в,г.

а) б) в)

г)

Рис.1.1.Условные графические изображения источников электрической энергии:

а)генератор постоянного тока; б)генератор переменного тока; в)трёхфазный синхронный генератор; г)гальванический элемент.

К электрическим источникам относятся: химические, солнечные, термоэлектрические и т.д.,условное графическое изображение которых показано на рис.1.1.2

Устройства, потребляющие электрическую энергию, называются приёмниками электрической энергии или потребителями электрической энергии, или нагрузкой.

К приёмникам электрической энергии относятся: приводные электродвигатели различных типов, лампы накаливания, нагревательные приборы и т.д., условные графические изображения которых показаны на рис.1.2.

а) б) в) г)

Рис.1.2.Условные графические изображения приёмников электрической энергии: а)двигатель постоянного тока; б)трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; в)лампа накаливания; г)электрическая печь.

Устройства, преобразующие электрическую энергию к виду удобному для потребителя, называются преобразователями электрической энергии.

К преобразователям электрической энергии относятся: трансформаторы, выпрямители, инверторы, конвекторы, преобразователи частоты и т.д.

К вспомогательным элементам относятся: плавкие предохранители, выключатели, переключатели, электроизмерительные приборы и т.д., условные графические обозначения которых показаны на рис.1.3.

а) б) в) г)

д) е) ж) з)

е)

Рис.1.3.Условные графические изображения некоторых вспомогательных элементов электрической цепи: а)главный предохранитель; б)выключатель; в)переключатель; г)амперметр; д)вольтметр; е)ваттметр; ж)омметр; з)частотометр; и)фазометр.

Простейшая электрическая цепь содержит: источник, приёмник и соединительные провода. Они образуют замкнутый контур (рис.1.4.)

Рис.1.4.простейшая электрическая цепь: GВ-источник, Л-приёмник, n-соединительные провода.

1.1.2.Электрические величины.

Основными величинами электрической цепи являются: ток, напряжение и электродвижущая сила.

Электрическим током называют направленное движение свободных носителей электрических зарядов в веществе или в вакууме под действием электрического поля.

Электрический ток измеряют в ампера {А} и обозначают буквами I,i. Причём строчными буквами i обозначают изменяющиеся величины тока и их мгновенные значения.

Электрический ток в цепи возникает в том случае, если на её зажимах создана разность потенциалов, т.е. существует электрическое поле вдоль участка цепи.

Разность потенциалов между двумя точками цепи называют напряжением или падением напряжения.

Напряжение измеряют в вольтах [B] и обозначают буквами U, u. Аналогично с током строчными буквами u обозначают изменяющиеся величины напряжения и их мгновенные значения.

Электродвижущая сила- это энергия, которую получает каждый электрический заряд в источнике под действием сторонних сил.

Как и напряжение ЭДС измеряют в вольтах и обозначают буквами Е, е.

Условно положительным направлением тока считается направление движения положительных зарядов(т.е. от плюса к минусу), которое обозначается на схемах

Направлением напряжения принято считать направление в сторону уменьшения потенциала

Условно положительным направлением ЭДС считается направление действия сторонних сил в источнике питания, который обозначается на схемах

1.1.3.Параметры электрической цепи.

Коэффициенты, связывающиеся напряжение и ток, называют параметрами электрической цепи.

Электрическое сопротивление (резистор) характеризует способность элемента превращать электрическую энергию в тепловую.

Сопротивление измеряется в омах [Ом] и обозначают R, r.

Величина обратная сопротивлению называется прводимостью, измеряется с сименсах g=1/r [См].

Электрическая ёмкость (конденсатор) характеризует способность элемента накапливать электрические заряды, т.е. возбуждать электрическое поле.

Емкость измеряется в фарадах [Ф] и обозначается буквой с.

Индуктивность (катушка индуктивности) характеризует способность элемента возбуждать магнитное поле, т.е. преобразовывать электрическую энергию в энергию магнитного поля.

Индуктивность измеряется в генри [Гн] и обозначается буквой L.

Элементы электрической цепи делятся на реальные элементы (каждый из которых характеризуется параметрами R, L, c) и идеальные элементы (каждый из которых характеризуется только одним из параметров R,L или с).

Кроме того элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные.

К активным элементам относятся все источники питания, а иногда и некоторые приёмники (аккумуляторы, электродвигатели).

При описании работы активных элементов используются величины электрической цепи, ток I, напряжение U, ЭДС Е.

К пассивным элементам относятся все элементы, работа которых описывается только с помощью параметров, т.е. R, L, c.

Источники питания образуют внутренний участок электрической цепи, а приёмники - внешний участок (рис.1.5.). эти участки отделены полюсами.

Рис.1.5.Простейшая электрическая цепь: Е- источник ЭДС; R_в- внутреннее сопротивление источника; R_н- приёмник или сопротивление нагрузки; а,б- полюса источника.

Участок электрической цепи, отделенный двумя полюсами, называется двухполюсником.

Если двухполюсник содержит хотя бы один активный элемент, то он называется пассивным (рис.1.6,б)

а) б) в) г)

Рис.1.6.Условные обозначения: а- активный двухполюсник; б- пассивный двухполюсник; в- активный четырехполюсник; г- пассивный четырехполюсник.

Кроме двухполюсников встречаются трехполюсники (трансформатор), пятиполюсники (пентод) и т.д. (микросхема).

1.1.4.Виды электрических схем.

Графическое изображение электрической цепи, отражающее порядок соединения её элементов называется электрической схемой.

В электротехнике различают три вида электрических схем:

1.Принципиальная схема. В нее входит полный набор элементов с указанием всех связей между ними. Она дает полное представление о работе цепи.

Например, схема карманного фонарика, приведенная на рис.1.7.

Рис.1.7.Принципиальная электрическая схема карманного фонарика.

2.Монтажная схема. Она показывает, как производится соединение элементов, в каких местах и какими проводами.

3.Схема замещения. Она предназначена для изучения процессов в электрических цепях.

Схема замещения – это графическое изображение реальной цепи с помощью идеальных элементов. В дальнейшем ее будут называть просто схемой цепи.

Пассивные компоненты электрических цепей и их графическое изображение в схемах замещений.

Резистор (рис.1.8.а)- это элемент, изготовленный таким образом, чтобы оказывать определенное сопротивление протеканию тока.

Конденсатор (рис.1.8.б)- это элемент, обладающий определенной емкостью.

Катушка индуктивности (рис.1.8.в)- это проводник, намотанный на каркас катушки. Внутри катушки может быть или отсутствовать сердечник из ферромагнитного материала. Способность катушки индуктивности накапливать энергию магнитного поля и препятствовать изменению тока, протекающего через нее, называется индуктивностью этой катушки.

а) б) в)

Рис.1.8.Условные графические изображения пассивных элементов электрических цепей: а) резистор: а₁-размеры; а₂-постоянный резистор; а₃-переменный резистор; а₄-нелинейный резистор; б) конденсатор: б₁-размеры; б₂-конденсатор постоянной емкости; б₃-конденсатор переменной емкости; в) катушка индуктивности: в₁-размеры; в₂-с постоянной индуктивностью; в₃-с переменной индуктивностью; в₄-с нелинейной индуктивностью; в₅-катушка индуктивности со стальным сердечником.

1.1.5.Основные топологические понятия и определения.

Соединение элементов электрической цепи может быть последовательным, параллельным и смешанным (рис.1.9).

Рис.1.9.Сложная электрическая цепь.

Узел- это место электрической цепи, где соединяются не менее трех элементов.

Части электрической цепи, соединяющие два соседних узла, называются ветвями. Вдоль ветви протекает один и тот же ток в любой момент времени.

Любой замкнутый путь электрического тока, образованный ветвями и узлами, называют контуром.

Соотношение между током и напряжением в ветвях определяется законом Ома, а в контурах и узлах- законом Кирхгофа.

Различают следующие виды электрических цепей:

1.Неразветвленные (1 ветвь) и разветвленные (2 и более ветвей);

2.Простые (с одним источником электрической энергии и одной ветвью, неразветвленная электрическая цепь) и сложные (с несколькими источниками и ветвями);

3.Линейные (параметры всех элементов являются постоянными величинами) и нелинейные (содержащие хотя бы один элемент, параметры которого зависят от протекающего по нему тока, приложенного напряжения и др. факторов: температуры, освещенности и т.д.).

Зависимость между напряжением и током называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ) (рис.1.10)

U=f(I)

Рис.1.10.Вольт-амперная характеристика: а- линейного элемента; б-нелинейного элемента.

Кроме того режимы работы электрической цепи делятся на установившиеся и переходные.

Основная задача расчета электрической цепи состоит в определении токов во всех ее ветвях по заданным параметрам и ЭДС.

Дата добавления: 2015-08-27