Основные свойства и общие методы расчета линейных электрических цепей

treugoma.ru › Теория цепей › 

Основные свойства и общие методы расчета линейных электрических цепей

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для создания в них электрического тока; при этом электромагнитные процессы, протекающие в цепи, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (э.д.с.), токе и напряжении.

Электрические цепи применяются для распределения и взаимного преобразования электрической и других видов энергии. Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии и провода, соединяющие их между собой.

В источниках электрической энергии (гальванические, аккумуляторы, генераторы и т.д.) химическая, механическая, тепловая энергия или энергия других видов превращается в электрическую, а в приемниках электрической энергии (электрические лампы, электронагреватели, электрические двигатели и т.п.), наоборот, электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую и др.

Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках ее передача и преобразование в приемниках происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, обычно называются цепями постоянного тока.

При постоянных токах и напряжениях магнитные и электрические поля электрических установок так же не изменяющихся во времени. В силу этого в цепях постоянного тока не возникают э.д.с. самоиндукции и взаимной индукции и отсутствуют токи смещения в диэлектриках, окружающих проводники.

Вместо термина “приемник электрической энергии”, в данном разделе сайта, будет применяться более краткие и равнозначные термины – приемники, нагрузка, потребитель, а вместо термина “источник электрической энергии” - источник энергии, источник питания или источник.

На рисунке 1 условно изображен простейшая электрическая установка с источником энергии в виде аккумуляторной батареи и с преемником в виде электрической лампы. Зажимы источника и приемника энергии соединены между собой двумя проводами. Источник энергии, провода и приемник образуют замкнутый проводящий контур. В этом контуре под действием э.д.с. источником энергии происходит непрерывное и односторонне направленное движение электрических зарядов.

Совокупность этих трех элементов – источника энергии, двух проводов и приемника – представляет собой простейшую электрическую цепь постоянного тока. В практике чаще встречаются более сложные цепи постоянного тока с большим числом источников и приемников энергии.

Чтобы облегчить изучение процессов в электрической цепи, ее заменяют расчетной схемой или идеализированной цепью, которая должна служить расчетной моделью действительной цепи. При этом пользуются понятиями двух основных элементов схемы: источника энергии э.д.с. Е и внутренним сопротивлением rв и сопротивлениями приемников и проводов r (рисунок 2)

Электродвижущая сила Е (рисунок 2 а)численно равна разности потенциалов или напряжению между зажимами (1 и 2) источника энергии при отсутствии в нем тока независимо от физической природы ее возникновения (контактная э.д.с., термо – э.д.с. и т.д.)

(1)

Электродвижущая сила источника действует от зажима с меньшим потенциалом. Направление действия э.д.с. указывается на схеме стрелкой.

Если к зажимам источника энергии присоеденить приемник (нагрузить), то в замкнутом контуре возникает ток. При этом напряжение или разность потенциалов на зажимах 1 и 2 уже не будет равна э.д.с. вследствие падения напряжения Uв внутри источника энергии, т.е. на его внутреннем сопротивлении rв:

На рисунке 3 представлена одна из наиболее типичных, так называемых внешних характеристик нагруженного источника энергии. Как показано на рисунке, при увеличении тока от нуля до напряжение на зажимах источника энергии убывает по линейному закону

Иначе говоря, при падении напряжения внутри источника энергии Uв в указанных пределах растет пропорционально току. При дальнейшем росте тока нарушается пропорциональность между его величиной и падением напряжения внутри источника энергии – внешняя характеристика не остается линейной. Такое уменьшение напряжения вызвано у одних источников энергии уменьшением э.д.с., у других – увеличением внутреннего сопротивления, а у третьих – одновременным уменьшением э.д.с. и увеличением внутреннего сопротивления.

Развиваемая источником энергии мощность определяется равенством

(2)

Здесь следует отметить установившееся в электротехнике неточное применение термина “мощность”. Так, например, говорят о генерируемой, отдаваемой, потребляемой, передаваемой, теряемой и подобных им мощностях. В действительности генерируется, отдается, потребляется, передается, теряется не мощность, а энергия. Мощность характеризует интенсивность соответствующего энергетического процесса и измеряется количеством генерируемой, отдаваемой, передаваемой и т.д. энергии в единицу времени. Поэтому правильно было бы говорить о мощности генерирования энергии, о мощности передачи энергии, о мощности потребления энергии и т.д. Следуя традициям электротехники, будем применять приведенные выше краткие выражения.

Сопротивление приемника (рисунок 2,б) как элемент схемы или идеальной цепи характеризует потребление электрической энергии, т.е. превращение электрической энергии в другие виды, при мощности.

(3)

В общем случае сопротивление приемника зависит от тока в этом приемнике r(I).

По закону Ома напряжение на сопротивлении

(4)

Следует отметить, что к открытию этого закона довольно близко подошел в 1801 – 1802 гг. академик В.В. Петров. Позднее, в 1826 г. Этот закон был сформулирован Омом.

Наряду с сопротивлением для расчета цепей вводят понятие проводимости

На практике часто бывает задана не зависимость сопротивления от тока r(I), а зависимость напряжения на сопротивлении от тока U(I) или обратная зависимость тока от напряжения I(U). Характеристики U(I) и I(U) получили распространенное хотя и не совсем точное, название вольт – амперных.

На рисунке 4 представлены вольт – амперные характеристики для лампы с металлической нитью U1(I) и для лампы с угольной нитью U2(I).Как показано на рисунке, связь между напряжением и током каждой лампы не является линейной. Сопротивление лампы с металлической нитью растет с увеличением тока, а сопротивление лампы с угольной нитью с увеличением тока падает.

Электрические цепи, содержат элементы с нелинейными характеристиками, называется нелинейными.

Если принять э.д.с. источников энергии, их внутренние сопротивления приемников не зависящих от токов и напряжений, то внешние характеристики источников энергии U(I) будут линейными (рисунок 5).

Электрические цепи , состоящие только из элементов с линейными характеристиками, называют линейными.

Большое число реальных электрических цепей можно отнести к линейным. Поэтому изучение свойств и методов расчета линейных электрических цепей представляет не только теоретический, но и значительный практический интерес.



Опубликовать


Если вам понравилась эта статья, разместите ссылку у себя на сайте или форуме. Для этого скопируйте текст, расположенный ниже:

Ссылка на статью для форума (bbcodes):
[url=http://treugoma.ru/chains/jsnovi-teorii-cepei-metodi-rashseta-el-cepei/]Основные свойства и общие методы расчета линейных электрических цепей[/url]
html ссылка:
<a target="_blank" title="Основные свойства и общие методы расчета линейных электрических цепей" href="http://treugoma.ru/chains/jsnovi-teorii-cepei-metodi-rashseta-el-cepei/">Основные свойства и общие методы расчета линейных электрических цепей</a>


Поиск по сайту

© 2010 - 2017 treugoma.ru