Вопрос №4. Понятие электрической цепи постоянного тока. Электродвижущая сила (20 мин.)

Одна из важнейших задач электротехники – передача электрической энергии на дальние и ближние расстояния. Этот процесс осуществляется по электрическим цепям.

Электрическая цепь – совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования электри­ческой энергии.

Электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, передающих и преобразующих элементов, приемников электроэнергии.

Источники электрической энергии осуществляют преобразо­вание в электрическую энергию каких-либо других видов энергии – механической (генераторах электрической энергии), тепловой (термопреобразователи), химической (аккумуляторы, гальванические элементы), световой (фотогенераторы) и др.

Приемники электрической энергии или потребители пре­образуют электроэнергию в другие виды энергии, например, в механическую (электродвигатели), тепловую (электрические печи, нагревательные приборы), химическую (электролизные ванны), световую (лампы накаливания).

Передающие элементы цепи служат для передачи электрической энергии от источников, рас­пределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств. К ним относятся коммутационная аппаратура (аппараты для включения и от­ключения цепи, предохранители), преобразующие устройства (трансформаторы), линии и измерительные приборы.

Классификация электрических цепей приведена в таблице 4.

Таблица 4

Классификация электрических цепей
По виду тока
Цепи постоянного тока		Цепи переменного тока
По содержанию элементов
Линейные цепи (содержат только линейные элементы)		Нелинейные цепи (содержат хотя бы один нелинейный элемент)
По конфигурации
Простые (содержат один источник питания и один контур)	Сложные (содержат два и более источников питания и контуров)	Неразветвленные (содержат один контур)	Разветвленные (содержат много контуров)

Основной задачей изучения электротехники является овладение методиками расчетов электрических цепей. Для того, чтобы произвести расчет реальной электрической цепи необходимо составить ее схемы (табл. 5).

Таблица 5

Электрическая схема
Эскизная	Принципиальная	Схема замещения
Реальное изображение электротехнических устройств и способов их соединения 1 – рубильник, 2 – лампа накаливания (приемник электрической энергии), 3 – аккумуляторная батарея (источник элек­трической энергии постоянного тока), контролирующие приборы – амперметр (4) и вольтметр (5)	Графическое изображение цепи, в которой каждое электротехническое устройство заменено (согласно ГОСТам) его условным обозначением	Графическое отображение электрической цепи с использованием различных идеализированных элементов (источников питания, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.д.), выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы в цепи

Для того, чтобы выполнить расчет электрической цепи необходимо составить ее схему замещения. Элементами электрической цепи являются источники электрической энергии, активные и реактивные сопротивления.

Условные графические обозначения некоторых элементов электрической цепи приведены в табл. 6.

Таблица 6

Элемент электрической цепи	Условное обозначение	Элемент электрической цепи	Условное обозначение
Термопара		Лампа накаливания сигнальная
Фотоэлемент		Катушка индуктивности
Гальванический элемент (ГЭ) или аккумулятор		Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником
Источник ЭДС		Источник тока
Батарея ГЭ или аккумуляторов		Конденсатор
Линия электрической связи		Конденсатор регулируемый
Узел цепи		Контакт выключателя
Заземление		Переключатель
Резистор		Штепсельный разъем
Реостат		Плавкий предохранитель
Реостат		Амперметр
Варистор (нелинейный резистор)		Вольтметр
Лампа накаливания осветительная		Ваттметр

Для описания электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур (рис. 17).

Ветвь – совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами. Это участок цепи, по которому протекает один и тот же ток. Ветвь по определению содержит элементы.

Узел – место соединения не менее трех ветвей.

Контур – замкнутый путь, про­ходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.

Контур называется элементарным, если содержит хотя бы одну ветвь, не входящую в другие выбранные контуры, и неэлементарным, если все ветви данного контура входят в другие выбранные контуры (рис. 18).

По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью. Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи, ограничено и определено.

Рис. 18

Например, укажите максимальное число контуров, которые можно образовать в этой цепи (рис. 19) с участием R₁.

Рис. 19

Укажите максимальное число контуров, которые можно образовать в этой цепи (рис. 19).

Элементы электрической цепи подразделяются на: активные − источники электрической энергии и пассивные, т.е. не способные генерировать электрическую энергию (приемники электроэнергии).

Источник электрической энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротивления внешней и внутренней (внутреннего сопротивления самого источника) цепей (рис. 20). В сопротивлении происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Рис. 20

Чтобы в электрической цепи протекал ток, необходимо иметь разность потенциалов на зажимах цепи. Эту разность потенциалов создают источники электродвижущей силы. В каждом источнике электрической энергии действуют сторонние силы.

Сторонние силы – это силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов.

Например, сторонними силами являются:

• в электрических генераторах – механическая сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле, в результате чего в проводнике возникает электродвижущая сила;

• в химических источниках тока (гальванические элементы, аккумуляторы) – химическая реакция;

• в термогенераторах – нагрев места спая двух разнородных металлов;

• в фотоэлементах – действие светового потока на пластину цезия.

Сторонние силы перемещают внутри источников эклектической энергии электрические заряды, в результате чего энергия одного вида превращается в энергию другого вида. Если к источнику электрической энергии подключить приемники, то в цепи будет протекать электрический ток.

При существовании тока в электрической цепи источник совершает работу.

Электродвижущая сила источника (ЭДС) – работа, затрачиваемая сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от меньшего потенциала к большему. Единица измерения – Вольт.

где E – электродвижущая сила; А - работа, Дж; q – величина электрического заряда, Кл.

Таким образом, условное обозначение источника ЭДС включает два элемента. Первый из них кружок со стрелкой указывает, что в источнике есть ЭДС Е, стрелка показывает направление ЭДС. При этом ток в источнике за счет действия сторонних (не электрических) сил протекает от отрицательного зажима к положительному, от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим. Второй элемент с с сопротивлением r_вн или иногда его обозначают r₀ характеризует преобразование электроэнергии внутри источника в тепло, иными словами потери энергии внутри источника (рис. 21).

Рис. 21

Направление перемещения положительных зарядов, а следовательно, и направление тока, протекающего в замкнутой цепи, совпадает с направлением ЭДС. При протекании тока через участок, имеющий сопротивление, на концах этого участка возникают потенциалы φ₁ и φ₂, разность которых равна напряжению, падающему на этом участке U₁₂ (рис. 22).

На каждом участке цепи (рис. 20) ток протекает от точки с большим потенциалом (φ₁) к точке с меньшим потенциалом (φ₂).

	φ1<φ2	φ1>φ2

Рис. 22

Источниками постоянного тока являются генераторы постоянного тока, аккумуляторы и гальванические элементы (рис. 23).

а)	б)	в)
Рис. 23. Виды источников постоянного тока: а) батарейка; б) генератор постоянного тока; в) аккумулятор

Постоянный ток применяется при электрохимическом получении алюминия, на городском и железнодорожном электротранспорте, в электронике, медицине и других областях на­уки и техники. В настоящее время быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные альтернативные источники электрической энергии постоянного тока – сол­нечные батареи, фотоэлементы, МГД-генераторы.