Параметры цепей постоянного тока

Электрический ток это направленное движение носителей электрического заряда. Носителями заряда в металлах являются электроны, в плазме и электролите – ионы. В полупроводниках носителями заряда являются также дефекты электронных оболочек ядер кристаллической решётки – «дырки». 3 Наличие электрического тока проявляется в виде трёх эффектов: • в окружающей среде возникает магнитное поле; • проводник, по которому протекает ток, нагревается; • в проводниках с ионной проводимостью возникает перенос вещества. чество заряда q, пере с Величина электрического тока определяется как коли но имое через какую-либо поверхность в единицу времени, т.е. dq i dt = (1.1) Такой поверхностью, в частности, ника, то такой ток называется постоянным и для него справедли- во вы может быть поперечное сечение провод-. Если количество заряда q переносимого за одинаковые промежутки вре- мени неизменно ражение I = q t/, где q – заряд, переносимый за время t. Из выражения (1.1) получается единица измерения электрического тока [ ] [ ]/[ ] I = = q t Кл/с=А [ампер]. тельных зар ем электрического поля, т.е. направление про- тиво ектрический ток раз- деля н) дов в элек к в р щая сила (ЭДС). Участок цепи, на котором Направлением тока принято считать направление движения положи- ядов под действи положное движению электронов в проводниках. Если такое направление неизвестно, то для любой ветви электрической цепи его можно выбрать про- извольно и считать положительным направлением. После расчёта режима работы цепи некоторые значения тока могут получиться отрицательными. Это означает, что действительное направление тока противоположно вы- бранному. По характеру изменения во времени эл ют а постоянный (рис. 1.3, а) и переменный. Последний, в свою очередь, бывает синусоидальным (рис. 1.3, б) и несинусоидальным (рис. 1.3, в-г. Электродвижущая сила. Движение носителей заря трической цепи, ка сякое движение требует передачи эне - гии движущимся объектам. Если на некотором участке цепи заря- жённые частицы получают энергию, то принято говорить, что на их в движение, т.е. электродвижу- действует ЭДС, является источником электрической энергии (энергии движущихся носителей электрических зарядов). Источником энергии для получения ЭДС могут быть различ- Рис. 1.3 этом участке действует сила, приводящая 4 ные физические явления, при которых возникает воздействие на заряжённые частицы – химические, тепловые, электромагнитные и др. процессы. Числен- но ЭДС равна работе по перемещению единичного заряда на участке её дей- ствия. Отсюда единицу ЭДС можно получить как [ ] [ ]/[ ] E = = A q Дж/Кл=В (вольт). Электрическое напряжение. На участках электри де отсутствует Э ческой цепи, г ДС, движение носителей зарядов сопровождается расходом полученной ранее энергии путём преобразования её в другие виды. Этот процесс можно охарактеризовать падением напряжения или просто напряжением U. Оно численно равно работе, затраченной на перемещение заряжённых частиц по участку электрической цепи, к величине перемещённого заряда / U Aq = В случае движения зарядов в безвихревом электрическом поле это опре- деление идентично понятию разности потенциалов участка электрической цепи, т.е. Uab a b =ϕ −ϕ, где, ϕa b ϕ – потенциалы границ участка. Следует за- метить, что потенциал отдельной точки определить невозможно, т.к. он равен работе по ю единичного заряда из бесконечности в данную точ- ку. Однако разность потенциалов между двумя точками всегда можно опре- делить, если потенциал одной из них принять за точку отсчёта, т.е. нуль. Единица измерения напряжения и разности потенциалов такая же, как и ЭДС: [ ] [ ]/[ ] U Aq = =Дж/Кл=В (вольт). перемещени ление от точ нциалом к точке с меньшим, а т.к. на учас ой при перемещении единичного заряда между полю За положительное направление напряжения на участке цепи принимают направ ки с большим поте тках где отсутствует ЭДС положительные заряды также перемещаются от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким, то положительное направление напряжения на этих участках совпадает с положительным направлением протекающего тока. За положительное направление ЭДС принимают направление от точки с меньшим потенциалом к точке с большим. Это направление указывают стрелкой в условном изображении источника на схеме (рис. 1.1, 1.2). Электрическая энергия и мощность. Из понятия ЭДС следует, что она является работой, совершаем сами источника электрической энергии. Для перемещения всех зарядов, проходящих через источник, требуется совершить работу в q раз большую, т.е. затратить энергию W Eq EIt и = = В приёмнике электрической энергии или в нагрузке энергия преобразуется рассеивается. Её также можно определить, пользуясь понятием на- пряж или ения на участке электрической цепи, как работы по перемещению единичного заряда. Отсюда энергия, преобразуемая в нагрузке – W Uq UIt н = =. 5 Интенсивность преобразования энергии характеризуется понятием мощности. Численно она равна энергии, преобразуемой в электрической цепи в единицу времени. Для цепи постоянного тока мощность источника равна и и P W t EI = / = (1.2 а) а нагрузки – н н P W t UI = / =. (1.2 б) Единицами измерения энергии и мощ ся дж ности электрической цепи являют- оуль (Дж) и ватт (Вт). На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая источниками электрической энергии в цепи должна быть равна мощности преобразуемой в другие виды энергии в нагрузке: ∑± = EI UI ∑, (1.3) где ∑±EI – алгебраическая сумма мощно – су ников ражение (1.3) называется балансом мощности электрической цепи. Мощ ля. ожно определить наличие тока в электриче- 2. стоянный электрический ток? ектрический потенциал какой- 5. ожительным для электри- 6. цепи?. П стей, развиваемых источниками, а ∑U мма мощностей всех приёмников и потерь энергии внутри источ-. Вы I ность, преобразуемая в нагрузке, всегда положительна, в то время как источники могут работать как в режиме генерирования так и в режиме рас- сеяния электрической энергии, т.е. быть нагрузкой для внешней электриче- ской цепи. Режим работы источника определяется взаимной направленно- стью ЭДС и тока, протекающего через источник. Если направление действия ЭДС и направление тока в источнике совпадают, то источник отдаёт энергию в цепь и соответствующее произведение в левой части (1.3) положительно. Если же направление тока противоположно, то источник является нагрузкой и его мощность включают в баланс с отрицательным знаком. Следует заметить, что при составлении баланса мощности должно учитываться реальное направление тока в источнике, т.е. направление, полученное в результате расчёта электрической цепи, а не условно положительное направление, принимаемое в начале решения.

Цепи постоянного тока это совокупность объектов и устройств, которые создают путь для движения электрического тока. При этом все происходящие электромагнитные процессы описываются с применение понятий об электродвижущей силе электрическом напряжении и токе.

Все объекты и устройства, которые входят в цепь постоянного тока подразделяются на категории. Первая из них это источники тока. Те источники, в которых идет преобразование не электрической энергии в электрическую называются первичными. К ним относятся гальванические элементы аккумуляторы электрогенераторы фотоэлементы. Если же источник преобразует электрическую энергию, то он называется вторичным. К таким источникам можно отнести выпрямители трансформаторы стабилизаторы и преобразователи.

Кроме источников тока существуют потребители. В них идет обратный процесс преобразования энергии. То есть электрическая переходит в другие виды. В частности в тепловую в нагревательных элементах или в электромагнитную в виде излучения.

И все что осталось относиться к вспомогательным элементам цепи постоянного тока. То есть, то, что не является ни источником, ни потребителем энергии. Сюда можно отнести соединительные провода коммутационные разъёмы переключатели измерительные приборы.

Реальные электрические цепи для упрощения их анализа и расчета изображаются в виде электрических схем. В которых реальные объекты и устройства заменяются на графические условные обозначения. Реальные источники тока в таких электрических схемах представляются в виде источника эдс с внутренним сопротивлением. Нагревательные элементы и им подобные изображаются в виде эквивалентного электрического сопротивления.

Рисунок 1 — пример электрической схемы

В случае проведения расчетов с использованием электрических схем выделяют некоторые понятия. Например, ветвь электрической цепи это такой участок схемы на котором значение тока неизменно. В такую ветвь может входить от одного до нескольких элементов включённых последовательно.

Рисунок 2 — ветвь электрической цепи

Узлом электрической цепи называется та часть цепи, где происходит соединение минимум трех ветвей. На практике их может быть значительно больше. А соединение двух ветвей это будет также одна ветвь без разветвлений, но разбитая на части. И ток в них будет протекать все равно один и тот же. Если две различные ветви соединяют два разных узла, то они называются параллельными.

Рисунок 3 — узел электрической цепи

Ток в цепи постоянного тока не может протекать, если она не замкнута. И та часть цепи, которая состоит из нескольких ветвей и при этом она замкнута, называется контуром.

Рисунок 4 — контур электрической цепи

Любая цепь электрического постоянного тока, состоящая из выше перечисленных элементов, может быть отнесена к одному из двух видов цепей. Первая это линейная электрическая цепь. В такой цепи присутствуют только такие элементы параметры, которых не изменяются с изменением тока проходящего через них. В роли такого параметра может выступать сопротивление.

В нелинейных электрических цепях также могут присутствовать линейные элементы. Но отличаются такие цепи наличием одно или более нелинейного элемента. То есть в таком элементе изменяется один из параметров при протекании тока через него. Простейшим нелинейным элементом является лампа накаливания. В холодном состоянии спираль имеет более низкое сопротивление, а при прохождении тока через нее сопротивление увеличивается.

УРОК №12