4.2 Электрическая цепь и ее элементы
Электромагнитное устройство с проходящими в нем и в окружающем пространстве физическими процессами в теории электрических цепей заменяют некоторым эквивалентом – электрической цепью.
Электрической цепью называется совокупность соединённых друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Электрическая цепь представляет собой ряд соединенных в той или иной последовательности резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности и иных элементов. Анализ процессов в электрической цепи состоит в получении сведений о величине и форме (имеется в виду зависимость от времени) тока в том или ином участке цепи или напряжения между некоторыми двумя точками цепи, если известна величина и форма электродвижущей силы (ЭДС), действующей в цепи.
Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:
1) Активные элементы электрических цепей или источники электрической энергии (питания).
Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).
2) Пассивные элементы электрической цепи или потребители электрической энергии.
Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.
3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.
Для
анализа и расчета электрическая цепь
графически представляется в виде
электрической схемы, содержащей условные
обозначения ее элементов и способы их
соединения.
Рисунок 1 Условные обозначения элементов электрической цепи
Как сказано выше: изображение электрической цепи с помощью с помощью условных знаков называют электрической схемой, одна из простейших схем изображена на рисунке 2 а.
При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.
Узел цепи – точка, в которой соединено более двух проводников.
Ветвь – участок цепи между двумя узлами. Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов.
Контур – замкнутый неразветвленный участок цепи.
Зависимость сила тока, протекающего по сопротивлению от напряжения на этом сопротивлении называют вольт-амперной характеристикой. По оси абсцисс на графике обычно откладывают напряжение, а по оси ординат - силу тока. На рисунке 2 б и в представлены примеры вольт-амперных характеристик некоторых элементов.
Рисунок 2 Простейшая электрическая схема и примеры вольт-амперных характеристик
Резистор (резистивный элемент) или сопротивление – это элемент электрической цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую. Параметром, характеризующим это основное свойство резистора, является сопротивление. Идеализированный резистивный элемент обладает только этим параметром. Единицей измерения сопротивления является ом (Ом). Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью. Её единица измерения – сименс (см).
При прохождении через резистор R постоянного электрического тока I падение напряжения на нём определяется законом Ома:
U=IR (1)
Мгновенная мощность энергии, выделяемой на резисторе, определяется формулой:
P=IU=I2R (2)
Сопротивление резистора может быть определено как тангенс угла наклона его вольт-амперной характеристики (ВАХ)
,
(3)
Где mU и mI - масштабные коэффициенты напряжения и тока соответственно; α – угол наклона характеристики к горизонтальной оси.