1.1.3 Идеализированные активные элементы цепи

Всякая электрическая цепь содержит хотя бы один активный элемент - генератор, являющийся преобразователем какого-либо вида энергии (тепловой, механической и т.п.) в электромагнитную энергию колебаний определенной формы. Условное изображение генератора приведено на рисунке 1.1а.

Рисунок 1.1 - Активные элементы цепей

Важнейшим параметром генератора является электродвижущая сила (ЭДС). Постоянная эдс е = Е равна работе сил стороннего поля при переносе единицы электричества вдоль заданного пути: Е = A_c/q, где A_c - работа сил стороннего поля при перемещении заряда q. ЭДС генератора, обусловленная энергией стороннего поля, равна напряжению u_ХХ на его разомкнутых зажимах (в режиме холостого хода): е = и_ХХ. В общем случае е является функцией времени. Хотя ЭДС скалярная величина, ей, как и напряжению, условно приписывается направление, принимаемое совпадающим, как правило, с направлением тока.

Идеализированным источником напряжения, или генератором ЭДС, называется воображаемый источник энергии, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, через него проходящего. Условное изображение генератора ЭДС показано на рисунке 1.1б. При любом токе напряжение u_г остается таким же как при холостом ходе, т. е. равным е. Считая, что направление ЭДС е совпадает с направлением тока (движением положительных зарядов), то ЭДС направлена от более низкого потенциала (-) к более высокому; под действием сторонних сил положительный заряд перемещается внутри источника от (-) к (+). Напряжение и_г, наоборот, направлено от зажима (+) к зажиму (-).

Генератор ЭДС обладает бесконечно большой мощностью: при неограниченном возрастании тока мощность р_г = еi   . Поэтому идеализированный источник напряжения не может быть реализован физически.

Идеализированным источником тока, или генератором тока, называется фиктивный источник энергии, ток через который не зависит от напряжения на его зажимах. На рисунке 1.1в приведено условное изображение генератора тока. Ток генератора i_г остается неизменным при любом и, в частности при и = 0, т. е. при коротком замыкании зажимов генератора. Отсюда следует, что i_u = i_кз - току короткого замыкания. Генератор тока не может быть осуществлен практически, так как он обладает неограниченной мощностью: при бесконечном возрастании напряжения ток источника по определению остается неизменным и значит р_г = ui_г   .

Реальные источники электромагнитной энергии по своим свойствам отличаются от генераторов ЭДС и генераторов тока.

1.1.4 Схема цепи и классификация цепей

Схемой электрической цепи называется графически изображенная ее модель, составленная только из идеализированных пассивных и активных элементов.

Узлы - это такие точки схемы, в которых соединяются не менее трех двухполюсников, содержащих только последовательно соединенные элементы.

Ветвями называются двухполюсники, включенные между двумя узлами и составленные только из последовательно соединенных элементов.

Контуром называют любой замкнутый путь на схеме.

Если цепь (или часть ее) имеет четыре наружных зажима, к которым могут быть подключены источники энергии или другие элементы цепи, она называется четырехполюсником. Те полюса, к которым подключается питающий систему генератор, называют входными полюсами, или короче, входом четырехполюсника. Зажимы, с которых снимается напряжение для использования его в других элементах цепи, называют выходными зажимами, или выходом четырехполюсника.

В общем случае цепь может иметь много наружных зажимов (полюсов) и тогда ее называют многополюсником. Многополюсник называется пассивным, если в нем нет источников энергии. Если же он содержит один или более источников, его называют активным.

Цепь, для которой все напряжения и токи считаются неизменными во времени, называют цепью постоянного тока. В подобной цепи в качестве положительного направления тока (и напряжения) обычно принимают направление движения положительных зарядов. Если параметры R, L, C цепи постоянны и не зависят от напряжений и токов, то процессы в таких цепях описываются линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями (линейные цепи). Цепи, в которых хотя бы один параметр является функцией напряжения или тока, называются нелинейными. Цепи, в которых хотя бы один из параметров изменяется во времени по тому или иному закону, называются цепями с переменными параметрами.

Цепи, в которых токи и напряжения зависят не только от времени, но ещё являются функциями пространственных координат, называются цепями с распределёнными параметрами. У таких цепей наибольший физический размер сравним с длиной волны. для них не применимы законы Кирхгофа.

Законы Кирхгофа