Законы и методы анализа электрических цепей при постоянных воздействиях. Электрическая цепь и её элементы

План лекции:
Основные законы и методы анализа электрических цепей при постоянных воздействиях. Электрическая цепь и её элементы.
Физические явления в электрических цепях. Параметры электрических цепей.
Источники электрической энергии. Схемы электрических цепей.

Предметом теории электрических цепей является изучение наиболее общих закономерностей, описывающих процессы, протекающие во всех электротехнических устройствах.

Теория электрических цепей основана на двух постулатах:
1. Исходное предположение теории электрических цепей. Все процессы в любых электротехнических устройствах можно описать с помощью двух понятий: тока и напряжения.

2. Исходное допущение теории электрических цепей. Ток в любой точке сечения любого проводника один и тот же, а напряжение между любыми двумя точками пространства изменяется по линейному закону.
Теория электрических цепей основана на двух постулатах:

Электрическая цепь - это совокупность устройств и объектов, образующих путь электрического тока.
Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию, называется элементом электрической цепи.

Ток — предел отношения количества электричества, переносимого заряженными частицами через некоторую поверхность за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени, когда он стремится к нулю.

Напряжение — предел отношения количества энергии, необходимой для переноса некоторого количества электричества из одной точки пространства в другую, к этому количеству электричества, когда оно стремится к нулю.

Энергия — мера способности объекта совершать работу.

Мощность — скорость изменения энергии во времени.

Элементы — идеализированные устройства с двумя или более зажимами, все электромагнитные процессы в которых с достаточной для практики точностью могут быть описаны только в основных понятиях.

Электрическая цепь — совокупность элементов и источников, предназначенных для генерации, приема и преобразования токов и напряжений (электрических сигналов).

Условное графическое изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют
электрической схемой
Структурные
Принципиальные
Эквивалентные
Рис.1

Схема электрической цепи - это графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов, показывающее соединения этих элементов.

Классификация электрической цепи
по виду тока:
постоянного тока;
переменного тока;
по составу элементов:
активные цепи;
пассивные цепи;
линейные цепи;
нелинейные цепи;
по характеру распределения параметров:
с сосредоточенными параметрами;
с распределенными параметрами;
по числу фаз (для переменного тока):
однофазные;
многофазные (в основном трехфазные).

Простейшая электрическая цепь
Основные элементы простейшей электрической цепи:
1 - источник электрической энергии; 2 - приемники электрической энергии; 3 - соединительные провода.

Вспомогательные элементы электрической цепи:
управления (рубильники, переключатели, контакторы);
защиты (плавкие предохранители, реле и т.д.);
регулирования (реостаты, стабилизаторы тока и напряжения, трансформаторы);
контроля (амперметры, вольтметры и т.д.)

Источник электрической энергии - это преобразователь какого-либо вида неэлектрической энергии в электрическую.
Виды преобразователей:
электромеханический (генераторы переменного и постоянного тока);
электрохимический (гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы);
термоэлектрический (контактный, полупроводниковый).

Приемники электрической энергии преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии:
механическую (электродвигатели, электромагниты);
тепловую (электропечи, сварочные аппараты);
световую (электролампы, прожекторы);
химическую (аккумуляторы в процессе зарядки, электролитические ванны).

Условные обозначения электроприборов:

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Напряжение (Э.Д.С.) источника электрической энергии.
Мощность источника электрической энергии.
Сопротивление приемника электрической энергии.
Мощность приемника электрической энергии.

Электродвижущая сила - характеристика источника энергии в электрической цепи.

Электродвижущая сила
(ЭДС), физическая величина, характеризующая действие сторонних сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.
где dl - элемент длины контура.

Электрический ток - направленное и упорядоченное движение электронов под действием электрического поля создаваемого за счет Э.Д.С. источника питания.
За направление электрического тока в электротехнике принято направление, противоположное направлению движения электронов.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I.
S – площадь поперечного сечения проводника,
E – электрическое поле.
сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:
Единицей измерения тока в системе СИ служит ампер (А)

Сопротивление приемника электрической энергии
Противодействие, оказываемое материалом протеканию электрического тока, называется сопротивлением.
Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, материала и от температуры окружающей среды.

Зависимость сопротивления от геометрических размеров и материала выражается формулой
где
R- сопротивление проводника, Ом;
l - длина проводника, м;
S - площадь поперечного сечения проводника, мм2;
ρ - удельное сопротивление проводника,Ом*мм2/м.

Удельное сопротивление - сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 мм2 при температуре 200С.
Удельное сопротивление в системе СИ измеряется в Ом×м.

Проводимость - величина, обратная сопротивлению, характеризует способность проводников проводить электрический ток,
[G]=1/Ом=См (сименс)

Электрическое напряжение есть энергетическая характеристика поля вдоль рассматриваемого пути из одной точки в другую, которой оценивается возможность совершения работы при перемещении заряженных частиц между этими точками.

Вольт - единица напряжения в системе СИ. Буквенное обозначение напряжения – U.

Источник Э.Д.С. представляет собой такой идеализированный источник питания напряжение, на зажимах которого постоянно (не зависит от величины тока I) и равно Э.Д.С. Е, а внутреннее сопротивление равно нулю.

Источник тока представляет собой идеализированный источник питания, который дает ток I=Ik, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединен, а Э.Д.С. его Еит и внутреннее сопротивление Rит равны бесконечности.