1.2. Идеальные элементы электрических цепей и схем
Реальные элементы электрических цепей представляют следующими идеальными элементами:
1. Резистивный элемент отображает преобразование электрической энергии в тепловую в элементах реального устройства (рис. 1.1).
Рис. 1.1
Закон Ома для резистивного элемента
I =
(или для мгновенных значений i =
),
где U = а
- b
> 0 , ток течет от большего потенциала
а
к меньшему b
. Здесь и далее заглавные буквы I,
R, U используются для цепей постоянного
тока (в других случаях будет оговорено
особо).
2. Индуктивный элемент накапливает энергию в виде энергии магнитного поля. Примером индуктивного элемента может служить реальный элемент - катушка индуктивности. Графическое изображение индуктивного элемента показано на рис. 1.2.
Рис. 1.2
Основные соотношения для индуктивного элемента:
u =
= L
,
,
где = Li – потокосцепление; L – индуктивность;
Wм
=
- магнитная энергия.
Индуктивный элемент не оказывает сопротивление постоянному току:
u = L = 0, т.к. I = const .
3. Емкостной элемент накапливает энергию в виде энергии электрического поля. Примером емкостного элемента может служить конденсатор. Емкостной элемент показан на рис. 1.3.
Рис. 1.3
Основные формулы для емкостного элемента:
, u
=
,
где q = C u – заряд;
C – емкость;
- электрическая энергия.
Постоянный ток не течет через емкостной элемент:
,
т.к.
U = const .
4. Идеальный источник э.д.с. используется при замене реального источника электрической энергии, если внутренним сопротивлением источника можно пренебречь. Схема идеального источника э.д.с. показана на рис. 1.4.
Рис. 1.4 Рис. 1.5
У идеального источника э.д.с. внутреннее сопротивление равно нулю и не зависит от тока, который течёт по нему, см. рис. 1.5. Стрелка э.д.с. направлена на больший потенциал: а > b, Uab = а - b = Е.
5. Идеальный источник тока используется при замене реального источника электрической энергии, если внутреннее сопротивление реального источника энергии велико.
На рис. 1.6 показан идеальный источник тока.
Рис. 1.6
Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности. Отсюда следует, что "посторонний" ток по идеальному источнику тока не течёт.
Рассмотрим примеры замены реальных элементов электрической цепи идеальными.
1. Катушка индуктивности при прохождении по ней переменного тока накапливает энергию в виде магнитного поля и нагревается, поэтому она может быть заменена эквивалентной схемой замещения, рис. 1.7, где резистивный и индуктивный элементы соединены последовательно.
Рис. 1.7
2. Реальный источник постоянного тока имеет напряжение на разомкнутых зажимах, равное Uab, и внутреннее сопротивление Rвн . Заменим источник двумя эквивалентными схемами замещения: одна с идеальным источником э.д.с. и вторая с идеальным источником тока, рис. 1.8 и рис. 1.9 соответственно.
Рис. 1.8 |
Рис. 1.9 |