Электрическая цепь элементы и участки цепи

Электрическая цепь элементы и участки цепи

РАЗДЕЛ I

Электрические цепи

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ

Основные электротехнические устройства по своему назначению подразделяются на устройства генерирующие и использующие

Чтобы привести в действие устройство, использующее электрическую энергию (приемное устройство), на его входных зажимах необходимо создать и поддерживать определенную разность элек­трических потенциалов — электрическое напряжение. Для этой цели приемное устройство подключают к гене­рирующему, образуя тем самым комплекс устройств — электричес­кую цепь.

Электрической цепью называют совокупность уст­ройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобра­зования и использования электрической энергии, процессы, в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, электрическом напряжении и электродвижущей силе (э. д. с).

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, назы­вают также элементами электрической цепи. Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы, называют участком цепи.

Элементы цепи, предназначенные для генерирования электри­ческой энергии, называют источника ми питания, а элементы, использующие электрическую энергию,— приемники электрической энергии.

В источниках в электрическую энергию преобразуются иные виды энергии: механическая в машинных генераторах, химическая в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловая в термоэле­ментах, лучистая в фотоэлементах и т.д.

В приемниках, наоборот, электрическая энергия преобра­зуется в иные виды энергии: механическую в электрических дви­гателях, химическую в аккумуляторах, тепловую в различных нагревательных приборах и печах, лучистую в осветительных приборах и т. д.

Передающие элементы цепи являются звеном, связывающим источ­ники и приемники. Кроме электрических проводов, в это звено могут входить приборы контроля и управления, а также преобразующие устройства (трансформаторы, выпрямители и др.), в которых электри­ческая энергия доводится до такого состояния, когда ее становится удобно передавать на расстояния и распределять между приемника­ми.

Преобразователи электрической энергии с первичной стороны, куда поступает преобразуемая энергия, можно рассматривать как приемники, а со вторичной стороны, от которой преобразованная энергия отводится — как источники.

Глава 2. НЕРАЗВЕТВЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

ЦЕПИ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ПАССИВНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ

УСЛОВИЯ ПЕРЕДАЧИ ИСТОЧНИКОМ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

ВО ВНЕШНЮЮ ЦЕПЬ

При сопротивлении резистора внешней цепи (см. рис. 2.1), равном rн, напряжение и ток в нем связаны уравнением U = =rнIн, выражающим закон Ома для пассивного участка цепи. Учи­тывая это, уравнение (2.2) можно записать иначе:

Это уравнение выражает электрическое состояние простейшей замкнутой цепи. Из него можно получить выражение закона Ома для простейшей замкнутой цепи с по­следовательной схемой замещения источ­ника:

При этом мощность внешней цепи

(2.8)

Ток внешней цепи с параллельной схемой замещения источни­ка можно найти из выражения

,(2.9)

Тогда мощность внешней цепи

Мощность нагрузки Рн при холостом ходе (rн = ) и при ко­ротком замыкании (rн = 0) равна нулю. Она имеет максимальное

значение, когда отношение максимально. Взяв первую

производную этой дроби по r и приравняв ее нулю, получим

Следовательно, мощность внешней цепи максимальна, когда сопротивление внешней цепи rн равно внутреннему сопротивлению r источника, т. е. когда внешняя цепь и источник работают в со­гласованном режиме.

В согласованном режиме мощность потерь внутри источника равна половине мощности источника:

.

Исследуем изменение к.п.д. источника в зависимости от вели­чины сопротивления rн. К.п.д. источника равен отношению мощ­ности внешней цепи Рн к полной мощности Р, развиваемой источ­ником:

(2.12)

Из формулы (2.12) вид, что при холостом ходе, когда rн = , к.п.д. , при котором замыканий, когда rн =0, к.п.д. , в согласованном режиме rн =r к.п.д. .

В рассмотренных выше соотношениях сопротивление r обозначало только внутреннее сопротивление источника. Однако полученные формулы останутся теми же, если под r подразумевать со­противление проводов линии, а под Е — напряжение U на ее входе. При этом на входе схемы можно предполагать включенным источ­ник э.д.с. с внутренним сопротивлением, равным нулю, и с по­стоянным значением э.д.с. Е=U. Все рассуждения относительно передачи энергии источника к приемнику с сопротивлением rн, под­ключенному к концу линии, будут аналогичны случаю передачи энергии источником во внешнюю цепь.

Основные формулы

Формула Параметр Определение
Сила тока в электрической цепи (закон Ома) Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна э.д.с. источника электрической энергии, включенного в цепь, и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи
Сила тока на участке цепи (закон Ома для участка цепи) Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на зажимах участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи
Сила тока, вытекающая из точки разветвления(первый закон Кирхгофа) Сила тока, притекающая к узловой точке электрической цепи, равна сумме токов вытекающих из этой точки
Алгебраическая сумма э.д.с. в замкнутом конту­ре (второй закон Кирхгофа) В любом замкнутом контуре алгебраическая сумма э.д.с равна сум­ме падения напряжения на отдельных сопротив­лениях этого контура
Работа тока и количество тепла, выделяемое током Работа, совершаемая током, прямо пропорцио­нальна напряжению, то­ку и времени
Мощность тока Работа, совершаемая электрическим током в единицу времени
Напряжение на зажимах прал­лельно соединен­ных резисторов Напряжение на зажи­мах любых параллельно соединенных резисторов одинаково
Общее напряже­ние на зажимах последовательно соединенных рези­сторов Напряжение на зажи­мах цепи, состоящей нз последовательно соеди­ненных резисторов, рац­ио сумме напряжений на отдельных резисторах
Читайте также:  Перекрытия в дачном доме

Магнитные величины

Наименование величины Формула для вычисления Единица измерения в системе СИ Единица измерения в системе CGSM Соотношение между единицами СИ и CGSM
Напряженность магнитного поля эрстэд (э) 80а/м=1э
Магнитная индукция гаусс (гс) 1 вб/м 2 =10000гс
Магнитный поток вебер (вб) максвелл (мкс) 1вб=100000000мкс
Абсолютная магнитная проницаемость
Относительная магнитная проницаемость число
Магнитная постоянная для воздуха и вакуума
Намагничивающая сила ампервиток (а) (ав)
Сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле ньютон (н) грамм (г) 1н ≈ 102г
Сила, действующая на один из параллельных проводников, по которым протекает ток ньютон (н) грамм (г) 1н ≈ 102г

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатор — электромагнитный аппарат сдвумя (или более) обмотками, предназначенный и большинстве случаев для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный идругого напряжения той же частоты. При расчете трансформаторов используются формулы, приведенные в табл. 12.

РАЗДЕЛ I

Электрические цепи

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ

Основные электротехнические устройства по своему назначению подразделяются на устройства генерирующие и использующие

Чтобы привести в действие устройство, использующее электрическую энергию (приемное устройство), на его входных зажимах необходимо создать и поддерживать определенную разность элек­трических потенциалов — электрическое напряжение. Для этой цели приемное устройство подключают к гене­рирующему, образуя тем самым комплекс устройств — электричес­кую цепь.

Электрической цепью называют совокупность уст­ройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобра­зования и использования электрической энергии, процессы, в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, электрическом напряжении и электродвижущей силе (э. д. с).

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, назы­вают также элементами электрической цепи. Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы, называют участком цепи.

Элементы цепи, предназначенные для генерирования электри­ческой энергии, называют источника ми питания, а элементы, использующие электрическую энергию,— приемники электрической энергии.

В источниках в электрическую энергию преобразуются иные виды энергии: механическая в машинных генераторах, химическая в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловая в термоэле­ментах, лучистая в фотоэлементах и т.д.

В приемниках, наоборот, электрическая энергия преобра­зуется в иные виды энергии: механическую в электрических дви­гателях, химическую в аккумуляторах, тепловую в различных нагревательных приборах и печах, лучистую в осветительных приборах и т. д.

Передающие элементы цепи являются звеном, связывающим источ­ники и приемники. Кроме электрических проводов, в это звено могут входить приборы контроля и управления, а также преобразующие устройства (трансформаторы, выпрямители и др.), в которых электри­ческая энергия доводится до такого состояния, когда ее становится удобно передавать на расстояния и распределять между приемника­ми.

Преобразователи электрической энергии с первичной стороны, куда поступает преобразуемая энергия, можно рассматривать как приемники, а со вторичной стороны, от которой преобразованная энергия отводится — как источники.

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; Нарушение авторского права страницы

Электрическая цепьсовокупность устройств (элементов), предназначенных для направленного движения электрических зарядов (электрического тока) и связанных с ним электромагнитных процессов.

Электрическая цепь служит для генерирования, передачи и преобразования электрической (электромагнитной) энергии и сигналов.

Основные элементы электрической цепи – источники, приемники и линии передачи.

Источник электрической энергии и сигналовустройство, преобразующее различные виды энергии неэлектромагнитной природы в электромагнитную (гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор).

Приемник электрической энергии и электрических сигналовустройство, преобразующее электрическую энергию в другие виды энергии (электротермические устройства, электрические лампы, резисторы, электрические двигатели).

Линия передачи электрической энергии и электрических сигналов – проводники (материалы, среды, имеющие свободные заряды) и электромагнитные поля, с помощью которых осуществляется передача электрической энергии и сигналов от источников к приемникам.

Кроме того, элементами электрической цепи могут быть преобразовательные, коммутационные и измерительные устройства (приборы).

Преобразователь электрической энергииустройство, преобразующее параметры (напряжение, ток, их форму, величину, частоту) электромагнитной энергии (трансформаторы, выпрямители, инверторы, преобразователь частоты).

Коммутационные устройства предназначены для изменения режима работы электрической цепи: отключение и включение источников, приемников, изменения параметров участков цепи. Это контакторы, переключатели, выключатели, разъединители.

Измерительные устройстваприборы для измерения различных параметров электромагнитных процессов, протекающих в электрической цепи (амперметры, вольтметры, ваттметры и т.д.).

Схема электрической цепиграфическое изображение электрической цепи, содержащее условные изображения ее элементов и показывающее соединение этих элементов.

ЕСКД «Обозначения условные графические в схемах». ГОСТ 2.721-74 – 2.758-81.

Приемники, источники:

–элемент гальванический;

–лампа накаливания;

–генератор постоянного тока электромеханического типа;

–резистор;

–потенциометр;

–реостат;

–катушка индуктивности;

–конденсатор.

Коммутационные устройства:

–нормально разомкнутый контакт;

–нормально замкнутый контакт;

–переключающий контакт.

Показывающие приборы (A, V, W):

Преобразовательные устройства:

–воздушный трансформатор;

–диодный мост (двухполупериодный выпрямитель);

–инвертор.

Принципиальная схема электрической цеписхема электрической цепи, изображающая соединение реальных элементов этой цепи.

Пример. Простейшая электрическая цепь – гальванический элемент, соединенный с лампой накаливания через выключатель с помощью соединительных проводов. Для измерения напряжения и тока в цепь включены вольтметр и амперметр.

Читайте также:  Новые бритвы для мужчин

Функциональная (структурная, блок-схема) – схема электрической цепи, изображающая соединение отдельных блоков сложной электрической цепи, выполняющих определенные функции (усиление, выпрямление, инвертирование т.д.)

Двухполюсникчасть электрической цепи, которая рассматривается относительно двух каких-либо зажимов.

Четырехполюсникчасть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима.

Активная цепьчасть электрической цепи, в которой действуют источники электрической энергии.

Пассивная цепьчасть электрической цепи, в которой нет источника электрической энергии.

Схема замещения электрической цепи

Ни функциональная, ни принципиальная схемы электрических цепей не отражают количественную сторону электромагнитных процессов, которые имеют место в элементах цепи и которые определяют режим работы этой цепи независимо от конструкции и физической природы этих элементов.

Схема замещения(расчетная математическая модель, эквивалентная)электрической цеписхема электрической цепи, изображающая соединения абстрактных, идеальных элементов, с достаточным приближением отображающих электромагнитные процессы в электрической цепи.

В теории электрических цепей реальные элементы, из которых составляется электрическая цепь, заменяются абстрактными идеальными элементами с определенными свойствами.

Какие же это элементы? И какие электромагнитные процессы они отражают?

Электрические цепи и ее элементы

Электрической цепью постоянного тока называют совокупность устройств и объектов: источников электрической энергии, преобразователей, потребителей, коммутационной, защитной и измерительной аппаратуры, соединительных проводов или линии электропередачи.

Электрические и электромагнитные процессы в этих объектах описываются с помощью понятий об электродвижущей силе (ЭДС — E), токе (I) и напряжении (U).

Элементы цепи можно разделить на три группы:

1) элементы, предназначенные для генерирования электроэнергии (источники энергии, источники ЭДС);

2) элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую и т.д. (эти элементы называются приемниками электрической энергии или потребителями);

3) элементы, предназначенные для передачи электрической энергии от источника к приемникам (линии электропередачи, соединительные провода); элементы, обеспечивающие уровень и качество напряжения и т.д.

Источники питания цепи постоянного тока – это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термо- и фотоэлементы и др.

Электрическими приемниками или потребителями постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др. Все электоприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные – напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах необходимо поддерживать номинальное напряжение. По ГОСТ 721-77 напряжение равно 27, 110, 220, 440 В, так же 6, 12, 24, 36 В.

Коммутационная аппаратура служит для подключения потребителей к источникам, то есть для замыкания и размыкания источников электроцепи.

Защитная аппаратура предназначена для размыкания цепи в аварийных ситуациях.

Измерительная аппаратура предназначена для замера тока, напряжения и других электрических величин.

Линии электропередачи используются, когда источники и потребители удалены друг от друга на большие расстояния. Соединительные провода предназначены для соединения между собой зажимов или электродов элементов электрической цепи.

Активные и пассивные элементы

Элемент называется пассивным, если он не может вызывать протекание тока, то есть если он не создает тока или ЭДС. Если собрать несколько пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) в электрическую цепь, то ток в цепи не потечет.

Элемент, который создает ЭДС и вызывает протекание тока, называется активным (источники электроэнергии).

Линейные и нелинейные цепи

Электрическая цепь называется линейной, если электрическое сопротивление или другие параметры участков, не зависят от значений и направлений токов и напряжений. Электрические процессы линейной цепи описываются линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями.

Если электрическая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент, то она является нелинейной.

Топологические элементы электрической цепи.

Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой. Электрическая схема включает: узлы, ветви, контуры.

Ветвь – совокупность элементов, соединенных последовательно. По ветви протекает один и тот же ток.

Узел – точка соединения трех или более ветвей.

Контур – совокупность ветвей, при обходе которых осуществляется замкнутый путь.

Простейшая электроцепь имеет один контур с одной ветвью и не имеет узлов. Сложные электроцепи имеют несколько контуров.

Положительные направления тока, напряжения и ЭДС.

Чтобы правильно записать уравнения, описывающие процессы в электрических цепях, и произвести анализ этих процессов, необходимо задать условные положительные направления ЭДС источников питания, тока в элементах или ветвях цепи и напряжения на зажимах элементов цепи или между узлами цепи.

Внутри источника ЭДС постоянного тока положительным является направление ЭДС от отрицательного полюса к положительному полюсу. Это соответствует определению ЭДС как величины, характеризующей способность сторонних сил вызывать электрический ток.

По отношению к источнику ЭДС все элементы цепи составляют внешний участок цепи.

За положительное направление тока в цепи принимают направление, совпадающее с направлением ЭДС. Во внешней цепи положительным является направление от положительного полюса источника к отрицательному полюсу. В электронной теории – направление совпадает с направлением положительно заряженных частиц.

Условным положительным направлением падения напряжения (или просто напряжения) на элементах цепи или между двумя узлами цепи принимают направление, совпадающее с условно положительным направлением тока в этом элементе или в этой ветви. Положительное направление напряжения на зажимах источника ЭДС всегда противоположно положительному направлению ЭДС.

Читайте также:  Как часто проверяют счетчики электроэнергии

Действительные направления электрических величин, определяемые расчетом, могут совпадать или не совпадать с условными направлениями. При расчетах если определено, что ток, ЭДС и напряжения положительны, то их действительные направления совпадают с условно принятыми положительными направлениями, если отрицательны, то не совпадают.

Основные законы электрической цепи

Условное обозначение параметров в цепях постоянного и переменного тока.

i – переменный ток; I – постоянный ток;

u – переменное напряжение; U – постоянное напряжение;

e – переменная ЭДС; E – постоянная ЭДС;

Напряжение U на зажимах потребителя прямо пропорционально сопротивлению R и току I , проходящему через него

; ;

Но выражение не является следствием закона Ома, так как сопротивление R=const и не зависит от тока и напряжения, протекающего через сопротивление.

Если ввести понятие проводимость G,то , .

Размерность сопротивления R – Ом (Ом), проводимости G – сименс (См).

Первый закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма токов сходящихся в узле равно нулю.

,

где n – число ветвей, сходящихся в узле.

До написания уравнения необходимо задать условные положительные направления токов в ветвях, обозначив эти направления на схеме стрелками. Токи, направленные к узлу, записываются со знаком плюс, а токи, направленные от узла, со знаком минус.

Иначе первый закон Кирхгофа может быть сформулирован: сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла:

Второй закон Кирхгофа

Отражает физическое положение, состоящее в том, что изменение потенциала во всех элементах контура в сумме равно нулю.

Алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре электрической цепи постоянного тока равна алгебраической сумме падений напряжений на всех сопротивлениях, входящих в этот контур.

,

где n – число ЭДС в контуре; m – число сопротивлений в контуре.

При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа предварительно задают условные положительные направления токов во всех ветвях электрической цепи и для каждого контура выбирают направление обхода. Если при этом направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура, то такую ЭДС берут со знаком плюс, если не совпадает – со знаком минус. Падение напряжения со знаком плюс, если положительное направление тока в данном элементе цепи совпадает с положительным направление обхода контура, а со знаком минус, если такого совпадения нет.

Иная формулировка второго закона Кирхгофа – сумма падений напряжений на всех элементах контура, включая источник ЭДС, равна нулю:

Если в ветви имеется n последовательно соединенных элементов с сопротивлением Rk, то

.

То есть падение напряжения на участке цепи или напряжение между зажимами ветви, состоящей из последовательно соединенных элементов, равно сумме падений напряжений на этих элемента.

Режимы работы электрической цепи

Элементами цепи являются конкретные электрические устройства, которые могут работать в различных режимах. Режимы работы как отдельных элементов, так и всей цепи характеризуются значениями тока и напряжения, следовательно, таких режимов может быть множество.

Идеальные и реальные источники ЭДС и тока

Идеальным называется источник ЭДС, напряжение, на зажимах которого не зависит от тока протекающего через него. Внутреннее сопротивление такого источника (R=0) равно нулю. Во всех практических случаях реальные источники ЭДС (или источники питания) не являются идеальными, так как обладают внутренним сопротивлением ( ).

Пусть источник характеризуется постоянными ЭДС ( E=const) и внутренним сопротивлением (R=const). По второму закону Кирхгофа можно записать:

,

где RI=U – напряжение на зажимах внешней цепи; RI – падение напряжения внутри источника ЭДС. Одновременно напряжение U является напряжением на зажимах источника, следовательно:

Это уравнение, описывающее напряжение во внешней цепи от тока в ней (U=f(I)), является уравнением внешней характеристики источника ЭДС. Это уравнение является линейным.

Различают следующие режимы: режим холостого хода, режим короткого замыкания и номинальный режим.

Режим холостого хода – это режим, при котором ток в цепи равен нулю I=0, что имеет место при разрыве цепи. В режиме холостого хода U=E. Вольтметр при этом измеряет ЭДС источника.

Режим короткого замыкания – это режим, когда сопротивление приемника равно нулю:

, , , при .

Номинальный режим — расчетный режим, при котором потребитель работает в условиях указанных в паспорте. Номинальные значения тока напряжения и мощности соответствуют выгодным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и т.д.

Ток короткого замыкания может достигать больших величин, во много раз превышая номинальный ток. Поэтому режим короткого замыкания для большинства электроустановок является аварийным режимом.

Согласованный режим источника ЭДС и внешней цепи имеет место, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника (R=R0). В этом случае

E=2RIc, .

Идеальный источник тока – тот источник, у которого создаваемый ток не зависит от напряжения на его зажимах, то есть его внутреннее сопротивление или его внутренняя проводимость . У реального источника проводимость не равна нулю . Расчет такой цепи ведется с учетом внутренней проводимости источника тока: I=I-GU, I=f(U).

Ссылка на основную публикацию
Эксплуатируемая кровля что это
Кровля — верхний элемент крыши (покрытия), защищающий здание от проникновения атмосферных осадков. Источник: ТСН 31 322 2001: Рулонные и мастичные...
Штукатурка стен жидкими обоями
Из этой статьи вы узнаете: Можно ли нанести жидкие обои своими руками, без помощи профессионала Обязательно ли выравнивать стены перед...
Штукатурка стен из газобетона внутри помещения видео
Штукатурка газобетона является важным этапом при внутренних отделочных работах. Основными задачами штукатурки является идеальное выравнивание плоскости стены, а также прочное...
Экстра подъем тостов что это
Хлеб в тостере греется за счет конвекции и инфракрасного излучения от открытых нагревательных элементов. Степень прожарки зависит от толщины ломтей....
Adblock detector