- •1 Электрические и магнитные цепи
- •1.1 Общие сведения об электрических цепях
- •1.1.1 Параметры цепи. Идеализированные пассивные элементы
- •1.1.2 Идеализированные активные элементы цепи
- •1.2 Законы Кирхгофа
- •1.2.1 Преобразование электрических схем
- •1.2.2 Принцип наложения
- •1.3 Метод контурных токов
- •1.3.1 Метод узловых напряжений
- •1.3.2 Метод эквивалентного генератора
- •1.4 Принцип дуальности
- •1.4.1 Баланс мощности
- •1.5 Представление гармонических колебаний
- •1.6 Гармонические колебания в пассивных rlc–цепях
- •1.7 Символический метод расчёта при гармоническом воздействии
- •1.7.1 Мощность в цепях при гармонических воздействиях
- •1.8 Простые колебательные контуры
- •1.8.1 Последовательный колебательный контур и резонанс напряжений
- •1.8.2 Параллельный колебательный контур и резонанс токов
- •1.9 Электрические фильтры
- •1.10 Переходные процессы в цепи rc
- •1.10.1 Операторный метод расчета переходных процессов
- •1.10.2 Расчет переходных процессов операторным методом
- •2 Нелинейные цепи и аппроксимация характеристик нелинейных элементов
- •2.1 Аппроксимация характеристик нелинейных элементов
- •2.1.2 Воздействие гармонического колебания на цепь с нелинейным элементом
- •2.1.3 Воздействие суммы гармонических колебаний
- •Используя тригонометрические формулы, получим:
- •2.2 Явление взаимной индукции
- •2.2.1 Последовательное соединение индуктивно связанных элементов
- •2.2.2 Параллельное соединение индуктивно связанных элементов
- •2.2.3 Методы расчета индуктивно связанных цепей
- •2.3 Трансформатор
- •2.3.1 Трехфазная система. Соединение генератора и нагрузки
- •2.4 Электромагнитные устройства и электрические машины
- •2.4.1 Магнитные усилители
- •2.4.2 Устройство электрических машин постоянного тока
- •2.4.2.1 Принцип работы машины постоянного тока
- •2.4.3 Вращающееся магнитное поле. Принцип работы асинхронного двигателя
- •2.4.4 Синхронный генератор
- •Частота индуцированной эдс (напряжения, тока) синхронного генератора:
- •2.4.5 Синхронный двигатель
- •3 Электронные компоненты
- •3.1 Электропроводность полупроводников
- •3.2 Полупроводниковые диоды и их характеристики
- •3.3 Биполярные транзисторы и их характеристики
- •3.3.1 Принцип действия биполярного транзистора
- •3.3.1.1 Схемы включения бпт и их свойства
- •3.4 Униполярные транзисторы и их характеристики
- •3.4.1 Пт с p-n–переходом
- •3.4.2 Полевые транзисторы мдп (моп)
- •3.4.3 Включение пт
- •3.5 Источники питания
- •3.5.1 Однофазный мостовой выпрямитель
- •3.5.2 Параметрические стабилизаторы напряжения
- •3.5.3 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения
- •Библиографический список
1.1.1 Параметры цепи. Идеализированные пассивные элементы
Для количественного описания процессов, происходящих в цепях, введены в рассмотрение величины, называемые параметрами цепи. Первый из них – сопротивление. Это пассивный элемент цепи, в котором электромагнитная энергия не запасается, а только необратимо преобразуется в какой-либо другой вид энергии.
Подобный элемент практически неосуществим и может рассматриваться лишь как абстрактная модель некоторого реального объекта. Рассматриваемый идеализированный участок цепи называется сопротивлением и условно изображается специальным графическим обозначением и символом R. Несмотря на то что ток I – скалярная величина, в теории цепей ему условно приписывают направление, которое выбирается произвольно, считается положительным и обозначается стрелкой на изображении проводника. В качестве направления тока считают направление движения либо положительных, либо отрицательных зарядов (электронов).
Хотя напряжение u – скалярная величина, ему также произвольно приписывают условно положительное направление и отмечают его стрелкой. Как правило, направления напряжения и тока считают совпадающими. При этом условии (если в качестве направления тока взято направление движения положительных зарядов) положительным будет напряжение, направленное от более высокого потенциала (+) к более низкому (–). Из сказанного следует, что вместо стрелки можно на чертеже указывать полярность (+, –). Если выбранные направления тока и напряжения совпадают, то согласно закону Ома, установленному экспериментально:
i = u/R = ug . (1.2)
Здесь R – параметр участка цепи, называемый так же, как и сам элемент, сопротивлением и измеряемый в омах; g = 1/R – проводимость, измеряемая в сименсах (сим). Сопротивление проводника длиной l метров и площадью поперечного сечения S (м2) определяется следующим образом:
R = l/s , (1.3)
где – удельное сопротивление материала проводника, Омм.
Мгновенная мощность, выделяемая на сопротивлении, соответствует выражению:
p = i2R = u2/R . (1.4)
Мощность равна скорости изменения энергии. В данном случае p выражает мгновенную скорость расходования энергии в сопротивлении; она в любой момент времени положительна. Это означает, что в любой момент энергия поступает из источника в сопротивление и здесь преобразуется в другой вид энергии. Реальный элемент, приближающийся по своим свойствам к сопротивлению, называется резистором.
Параметром, количественно характеризующим запасаемую в цепи магнитную энергию, является индуктивность. Участок цепи, представляющий собой виток, охватывающий площадь S, через который проходит ток i, пронизывает магнитный поток:
, (1.5)
равный потоку вектора магнитной индукции В = Н через площадь S. Магнитный поток измеряется в веберах, а магнитная индукция – в тесла. Абсолютная магнитная проницаемость среды = 0mr, [Гн/м], где 0 = 410-7 Гн/м – магнитная постоянная; r – относительная магнитная проницаемость. Индуктивностью витка называется отношение магнитного потока к току: L = Ф/i. Если магнитный поток измерен в Веберах, а ток в Амперах, индуктивность выражается в генри (Гн).
В тех случаях, когда стремятся получить возможно большую индуктивность, проводник сворачивают в катушку. Если катушка содержит w одинаковых витков, то полный магнитный поток и индуктивность увеличиваются в w раз: L = wSH/i.
Идеализированный элемент цепи, не обладающий сопротивлением (т. е. свободный от расходования энергии), в котором может запасаться энергия магнитного поля, но которому не свойственно накапливать электрическую энергию, называется (так же как параметр, определяющий связь между током i и магнитным полем Ф) индуктивностью.
Когда ток, протекающий через индуктивность, изменяется во времени (di/dt 0), в ней индуктируется ЭДС самоиндукции еL. Если для i и еL выбраны одинаковые положительные направления и если L не зависит ни от времени t, ни от тока i, то, в соответствии с законом электромагнитной индукции:
. (1.6)
Увеличению тока соответствует отрицательная (направленная навстречу ему) индуктированная ЭДС. Напряжением (падением напряжения) на индуктивности называют величину uL = –eL = L(di/dt). Положительные направления i и uL совпадают.
Энергию, запасенную в магнитном поле индуктивности, определяют следующим образом:
. (1.7)
Мгновенная мощность имеет смысл скорости изменения запасенной в магнитном поле энергии: pL = dWL/dt = uLi = Li(di/dt).
Физическим элементом, свойства которого приближаются к индуктивности, является катушка индуктивности, представляющая собой в простейшем случае спираль из проводника, намотанную на диэлектрическом каркасе.
Параметром цепи, определяющим энергию, запасаемую в электрическом поле, является ёмкость. Если к двум электродам подведено напряжение и, на них накапливаются равные по величине разноименные заряды ±q и в окружающем пространстве создается электрическое поле. Емкость обычно определяют как С = q/и. Если заряд измерен в кулонах, а напряжение в вольтах, емкость выражается в фарадах.
Идеализированный участок цепи, не обладающий сопротивлением (свободный от расходования энергии), в котором может запасаться энергия электрического поля, но которому не свойственно накапливать магнитную энергию, называется ёмкостью (так же как и параметр, определяющий связь между напряжением и и электрическим потоком ФЕ).
Приняв для тока i и напряжения на емкости uc одинаковые направления и учитывая, что q = Сиc, и полагая, что емкость не зависит ни от времени, ни от напряжения иc, имеем:
. (1.8)
Определим энергию Wc, запасаемую в электрическом поле емкости. Полагая, что С от напряжения не зависит, получим:
. (1.9)
Мгновенная мощность рс имеет в данном случае смысл скорости изменения запасенной в электрическом поле энергии:
. (1.10)
В зависимости от знака скорости изменения напряжения мощность рс может быть либо положительной, либо отрицательной. Величина рс > 0 в те моменты времени, когда энергия поступает из источника в электрическое поле и емкость заряжается. Наоборот, рс < 0, когда энергия возвращается из электрического поля в источник и происходит разряд емкости.
Конденсатор является деталью цепи, приближенной моделью, которой может служить емкость.