Активные элементы электрической цепи
Nbsp;
РАЗДЕЛ I
Глава первая
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Основные определения
Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Устройствами, образующими электрическую цепь, являются источники электромагнитной энергии - генераторы, потребители электромагнитной энергии - приемники и системы передачи энергии.
Задача электрической цепи состоит в передаче электромагнитной энергии от источников этой энергии к приемникам, независимо от того, предназначена ли цепь для передачи энергии или информации. В дальнейшем источники электромагнитной энергии будем называть источниками или генераторами, а потребители электромагнитной энергии - приемниками или нагрузкой.
| Рис.1.1. Пример электрической цепи двухполюсника |
Каждый источник, как и каждый приемник, снабжен двумя зажимами, с помощью которых через систему передачи осуществляется связь между источниками и приемниками. Эти зажимы иначе называют полюсами источника или приемника. Источники и приемники получили общее название двухполюсников. В общем случае двухполюсник может объединять несколько источников и приемников, связанных между собой. Двухполюсник, не содержащий источников электромагнитной энергии, называется пассивным двухполюсником.
Гальванический элемент, например, представляет собой активный двухполюсник, а лампочка накаливания, катушка или конденсатор являются пассивными двухполюсниками. Двухполюсники изображаются в виде прямоугольников. На рис. 1.1 изображена электрическая цепь, состоящая из генератора и трех пассивных двухполюсников. Часть электрической цепи, очерченная штриховой линией, может рассматриваться как один пассивный двухполюсник. Зажимы двухполюсников на рисунках обычно не указываются.
|
|
|
Промежуточное устройство, служащее для передачи энергии от источника к приемнику, должно быть снабжено четырьмя зажимами. Через два из них энергия от источника поступает в систему передачи, а через два других - энергия из системы передачи передается приемнику. Такое устройство называется четырехполюсником. На рис. 1.2 дано условное изображение четырехполюсника. Простейшим промежуточным устройством для передачи энергии от источника к приемнику являются два провода, соединяющие зажимы источника с зажимами приемника.
| Рис.1.2. Электрическая цепь четырёхполюсника |
Электромагнитные процессы в электрических цепях при передаче энергии полностью описываются с помощью таких физических понятий, как электродвижущая сила (э.д.с.), напряжение и ток. Свойства электрических цепей определяются значениями сопротивлений, индуктивностей и емкостей всех элементов, составляющих электрические цепи. |
|
|
Описание общих методов установления количественных связей между этими величинами и величинами э.д.с., напряжений и токов в электрических цепях в различных условиях их работы является основным содержанием раздела ‹‹Теория электрических цепей››. Умение находить эти связи необходимо для решения инженерных задач анализа и синтеза электрических цепей.
К задачам анализа относятся исследования свойств и расчеты заданных цепей. Типичная задача расчета заключается в определении токов в цепи при известных значениях всех элементов цепи и э.д.с., или токов источников. Задача же синтеза электрических цепей состоит в построении самих цепей и определении значений величин индуктивностей, емкостей и сопротивлений по заданным свойствам этих цепей.
Активные элементы электрической цепи
1. Определения. Движение электрических зарядов в проводящей среде под влиянием электрического поля представляет собой основную форму электрического тока - ток проводимости. Током проводимости, или током называется количество электричества, протекающего за одну секунду через поперечное сечение проводника:
|
|
|
В случае тока, изменяющегося с течением времени, вводится понятие мгновенного значения тока. Мгновенное значение тока представляет собой производную заряда по времени:
где 
— заряд, прошедший за время 
через поперечное сечение проводника. Ток измеряется в амперах. Ток в проводнике возникает, если вдоль проводника создано электрическое поле, а в этом случае между любыми двумя точками, расположенными по длине проводника, имеет место разность потенциалов. Разность потенциалов между двумя точками иначе называется напряжением или падением напряжения между этими точками. Разность потенциалов между точками « 
» и « 
» может обозначаться одной или двумя буквами: 
, где 
— потенциал точки « 
», а 
— потенциал точки « 
» относительно некоторой точки, принадлежащей той же электрической цепи и принятой за опорную при определении потенциалов. Потенциал этой опорной точки удобно считать для данной цепи равным нулю.
Напряжение между двумя точками может быть положительным или отрицательным в зависимости от направления отсчета. Будем считать, что напряжение 
направлено от точки « 
» к точке « 
», если 
> 
. Так как за направление тока в проводнике условились считать направление движения положительных зарядов, а положительные заряды под влиянием сил электрического поля движутся от точек высшего потенциала к точкам низшего, направление тока через пассивный двухполюсник удобно считать совпадающим с направлением напряжения на его зажимах.
|
|
|
Альтернативным способом выбора положительного или отрицательного значения напряжения является соответствие его вектора согласному или встречному направлению обхода контура при составлении баланса напряжений согласно второму закону Кирхгофа. В этой связи в контуре выделяют два типа напряжений: э.д.с. и падение напряжения. Указанные термины и особенности решения задач будут рассмотрены в виде отдельной темы позже.
В дальнейшем будем пользоваться терминами — напряжение и падение напряжения, выбирая первый или второй для того, чтобы оттенить смысл определяемой разности потенциалов в зависимости от контекста. Говоря, например, о генераторе, будем понимать под напряжением разность потенциалов между зажимами работающего генератора. Падением напряжения в генераторе будем называть разность между э.д.с. и напряжением на его зажимах, создаваемую током в сопротивлениях токоведущих элементов самого генератора. Чтобы понять, как это работает, мы в дальнейшем подробно разберем технологию решения таких задач на примере метода эквивалентного генератора. Когда говорят о линии передачи электрической энергии, то под напряжением в линии понимается разность потенциалов между проводами, в то время как падение напряжения в линии означает разность потенциалов вдоль проводов, возникающую при токе в линии благодаря сопротивлению самих проводов линии.
Когда же речь идет о приемнике, то «напряжение» и «падение напряжения» на нем означают одну и ту же разность потенциалов между его зажимами.
| Рис. 1.3. Неустановившийся режим тока электрической цепи |
2. Режим работы цепи. Токи и напряжения, возникающие в цепи при включении источников электромагнитной энергии, представляют собой реакцию цепи на воздействие источников. Реакция цепи может носить неустановившийся и установившийся характер.
Дело в том, что после включения в цепь генераторов токи и напряжения в цепи устанавливаются не мгновенно, а постепенно, асимптотически приближаясь к своим установившимся значениям. Например, если катушку подключить к аккумулятору, ток в цепи будет изменяться так, как показано на рис. 1.3. Установившимся ток в этой цепи можно считать только через некоторое время после замыкания цепи.
В установившемся режиме токи и напряжения в зависимости от рода генератора могут быть постоянными или периодическими функциями времени. Их зависимость от времени, прошедшего с момента включения генератора, теряет всякое значение. В дальнейшем, если не оговорено противное, будем предполагать, что включение генераторов в цепь произошло столь давно, что режим работы исследуемой цепи можно считать установившимся.
3. Источники электромагнитной энергии. Источниками электромагнитной энергии, или генераторами, называют устройства, преобразующие энергию любого вида в электромагнитную. В качестве генераторов постоянного напряжения часто используются преобразователи энергии, создающие электромагнитную энергию за счет энергии протекающих в них физико-химических процессов. Такие генераторы называются гальваническими элементами и аккумуляторами. В технике и в быту используются также генераторы постоянного напряжения, преобразующие механическую энергию в электромагнитную. Такие генераторы установлены, например, для зарядки аккумуляторов на автомашинах.
Одной из основных величин, характеризующих электрические качества генератора, является его э.д.с. Благодаря химическим реакциям в гальванических генераторах или движению проводников в магнитном поле в электромашинных генераторах, внутри генераторов происходит принудительное разделение электрических зарядов. Это разделение создается против сил притяжения между зарядами разных знаков и вызывает возникновение внутри генератора электрического поля, а следовательно, и разности потенциалов. Эта разность потенциалов называется электродвижущей силой.
Э.д.с., генератора является причиной возникновения тока в электрической цепи. Численно э.д.с., генератора равна разности потенциалов между его зажимами в том случае, если цепь разомкнута, и тока через генератор нет. За направление э.д.с., принимается направление принудительного движения положительных зарядов внутри генераторов, т. е. направление от отрицательного полюса генератора к положительному.
| Рис. 1.4. Движение зарядов в генераторе к нагрузке |
Условно считая, что в цепи движутся положительные заряды, можно сказать, что в пассивном двухполюснике это движение происходит под действием сил поля от точек высшего потенциала к точкам низшего, от положительного полюса генератора к отрицательному, а внутри генератора — от отрицательного полюса к положительному, т. е. против сил поля (рис. 1.4). Внутри генератора происходит преобразование химической (или другой) энергии в электромагнитную. Вне генератора имеет место обратное преобразование электромагнитной энергии в другие формы энергии.
Внутреннее сопротивление генератора также является величиной, характеризующей электрические свойства генератора. Под внутренним сопротивлением понимается сопротивление всех элементов пути тока внутри генератора. Знание внутреннего сопротивления генератора необходимо для расчета токов в электрической цепи. Вместе с тем в задачах по расчету линейных электрических цепей встречаются генераторы, внутреннее сопротивление которых во много раз меньше сопротивления внешней цепи.
В этих случаях часто допустимо считать внутреннее сопротивление генератора равным нулю. При этом допущении напряжение генератора должно не зависеть от тока нагрузки и быть равным его э.д.с. Генератор с внутренним сопротивлением равным нулю будем называть источником напряжения (э.д.с.), а термин «генератор» сохраним для реального источника электромагнитной энергии. Замена реального генератора источником э.д.с., обычно упрощает расчеты. Ошибка же, создаваемая ею, тем меньше, чем меньше внутреннее сопротивление генератора по сравнению с сопротивлением внешней цепи. Графическое изображение источника э.д.с., и гальванического источника напряжения (элемента или аккумулятора) дано на рис. 1.5, а.
| Рис. 1.5. Источники (генераторы) э.д.с. |
Буквенное обозначение э.д.с., принято 
или 
. Если внутренним сопротивлением генератора пренебречь нельзя, то такой генератор можно изобразить в виде источника э.д.с. и последовательно соединенного с ним двухполюсника, имитирующего его внутреннее сопротивление. Иначе реальный генератор можно изобразить в виде источника э.д.с., рядом с которым написана буква 
означающая, что внутреннее сопротивление генератора нельзя считать равным нулю (рис. 1.5, б). Во всех дальнейших расчетах предполагаем, что э.д.с. реального генератора и его внутреннее сопротивление не зависят от тока в цепи.
| Рис. 1.6. Источники (генераторы) тока |
В тех случаях, когда внутреннее сопротивление генератора очень велико по сравнению с сопротивлением внешней цепи, ток, посылаемый во внешнюю цепь, практически не зависит от сопротивления этой цепи. В этих случаях генератор удобно характеризовать не его э.д.с., а создаваемым им током. Генератор, создающий ток, практически не зависящий от сопротивления нагрузки, называется генератором тока, а создаваемый им ток - задающим током. Идеальным генератором тока или источником тока будем называть генератор, создающий ток, не зависимый от сопротивления нагрузки. Источник тока не имеет общепринятого обозначения. Чаще всего применяется изображение, данное на рис. 1.6,а. Реальный генератор тока изображают в виде источника тока и параллельно к нему присоединенного двухполюсника, имитирующего внутреннюю проводимость генератора (рис. 1.6,б). Смысл такого изображения генератора тока будет пояснен далее.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1548; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!