Тема 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГОНОГО ТОКА (4 ч)

В теме 1, материал которой излагается в течение двух лекций, даны определе­ния основных электрических величин: тока, напряжения, потенциала и ЭДС, их еди­ницы (измерения). Рассмотрены компонентные уравнения пассивных элементов цепи (резистора, катушки индуктивности, конденсатора), вольтампер­ные характеристики источников энергии, топологические параметры схем электрических цепей (ветвь, узел и контур), законы Ома и Кирхгофа, построение потенциальной диаграммы. Приведена классификация цепей, рассмотрены методы их анализа, расчет мощности и баланса мощностей в цепи постоянного тока.

Установочная лекция 1 (2 ч.)

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ, ТОПОЛОГИЯ И

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СХЕМ. ЗАКОНЫ ОМА И КИРХГОФА.

Дидактические единицы:

1.1. Основные определения.

1.2. Топологические параметры цепей.

1.3. Элементы, параметры и характеристики цепей.

1.4. Преобразование источников энергии.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основные определения электрических величин

Для качественного и количественного описания электромагнитных процессов, а также их экспериментального анализа и контроля используются электрические и магнитные величины и их единицы. Процесс обучения и освоения методов анализа и синтеза цепей и устройств сводится к свободному оперированию терминами, обозначениями и закономерностями дисциплины и использованию вычислительных устройств (ВУ) для реализации этих методов.

Термины и определения основных понятий в области электротехники установлены ГОСТ Р 52002-2003 «Электротехника. Термины и определения основных понятий». - М.: Госстандарт России, 2003 г., которые являются обязательными для применения во всех видах документации и литературы по электротехнике.

Электрическая цепь  совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Электрический ток проводимости  явление направленного движения свободных носителей электрического заряда q в веществе или в пустоте, количественно характеризуемое скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность, т.е. i = dq/dt, из которого получим единицу тока [i] = [q]/[t] = Кл/c = Ac/c = A (ампер).

Электрический ток переноса  электрический ток, осуществляемый переносом электрических зарядов телами, количественно характеризуемый скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого телами сквозь рассматриваемую поверхность.

Электрический ток смещения  совокупность электрического тока смещения в пустоте и электрического тока поляризации диэлектрика, количественно характеризуемая скалярной величиной, равной производной по времени от потока электрического смещения DS сквозь рассматриваемую поверхность S, где D  электрическое смещение.

Полный электрический ток  скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рас­сматриваемую поверхность.

Постоянный электрический ток (в дальнейшем  ток I)  неизменное и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка, времени t переносится одинаковый заряд q. Поэтому ток I = q/t, где q  весь заряд в кулонах (Кл) за время t (с). Условное положительное направление тока I во внешней (от источника энергии) цепи противоположно направлению дви­жения потока электронов (электрон  частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом q = 1,60210^-19 Кл, тогда 1 Кл = 6,2410¹⁸ электронов), т.е. он протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом, вызывая падение электрического напряжения (в дальнейшем  напряжение) на сопротивлении этого участка, т.е.

U = _a  _b

Потенциал электрический _a точки а  работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1 Кл) из данной точки в бесконечность (где нет электрического поля).

Электрическое напряжение  работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда (1 Кл) из точки а в точку b поля с напряжённостью по произвольному пути и равная линейному интегралу напряженности электрического поля вдоль этого пути. Однозначно определяют только разность потенциалов (напряжение) между соответствующими точками. Когда говорят о потенциале точки электрической цепи, то подразумевают разность потенциалов между этой точкой и другой (обычно заземлённой), потенциал которой принимают равным нулю. Из данного определения) получают единицу напряжения (потенциала) [U] = [В/мм] = B (вольт).

Электродвижущая сила E (в дальнейшем  ЭДС E)  скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток. ЭДС Е численно равна работе (энергии) W в джоулях (Дж), затрачиваемой этим полем на перемещение единицы заряда (1 Кл) из одной точки поля в другую. Из этого определения получим единицу ЭДС [E] = [W]/[q] = Дж/Кл = ВАс/Ас = В (вольт). Тогда напряжение (разность потенциалов) 1 В равно 1 Дж энергии для перемещения 1 Кл заряда из одной точки проводника в другую.

2. Состав электрической цепи и схема ее замещения

Любая электрическая цепь состоит из (рис. 1.1):

• источников энергии – активных элементов, преобразующих различные виды энергии в электрическую. Это генераторы электрических станций, аккумуляторы и солнечные батареи, термопары и др.;

• приёмников (преобразователей энергии, называемых часто нагрузкой), в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды  тепловую, механическую, световую, химическую и др.;

• вспомогательных элементов – проводов, выключателей, предохранителей, регуляторов тока, измерительных приборов, разъемов и др.

Появление электрического тока и напряжений в электрической цепи невозможно без источников электрической энергии, которые преобразуют механическую, тепловую, световую и другие виды энергии в электрическую. При этом в источнике т.н. сторонними ЭДС создаётся электрическое поле с напряжённостью , которое, действуя на заряженные частицы, разделяет их таким образом, что на одном зажиме (положительном, обозначаемом знаком "+") источника скапливаются положительные заряды, а на другом (обозначаемом знаком "−") − отрицательные (электроны).

При подключении к зажимам источника энергии объектов и устройств, создающих вместе с источником замкнутый контур − электрическую цепь, в этих устройствах электроны перемещаются от отрицательного зажима источника к положительному, нейтрализуя недостаток электронов на зажиме "+". Но в это же время сторонние силы в источнике разделяют заряды, обеспечивая непрерывное движение зарядов (электрического тока) в цепи. Говорят, что движение электрических зарядов в цепи происходит под действием электродвижущей силы источника.

Электрические цепи принято изображать в виде электрических схем.

Схема электрической цепи − её графическое изображение, содержащее условные обозначения элементов цепи и показывающее соединения этих элементов

ГОСТ 2.701-76 устанавливает общие правила выполнения схем, типы схем и их ши­фры: структурная (Э1), функциональные (Э2), принципиальная (полная Э3), соединений (монтажная Э4), подключения (Э5), общая (Э6), расположения (Э7) и др.

При анализе электрических цепей их заменяют схемами замещения.

С хема замещения электрической цепи – расчётно-математическая модель электрической цепи, содержащая идеальные пассивные (резистивные, индуктивные и ёмкостные) и активные (источники напряжения и источники тока) элементы.

Эти элементы являются эквивалентами (моделями) реальных устройств цепи, которым теоретически приписываются определённые электрические и магнитные свой­ства, отражающие главные (доминирующие) процессы в элементах цепи.

На рис. 1.2 приведены принципиальная (а), монтажная (в) схемы и схема замещения (б) электрической цепи для испытания двух нагревательных элементов ЭН1 (R1) и ЭН2 (R2). В цепи установлен предохранитель Пр (FU), выключатель Вык (S), амперметр (А) и аккумуляторная батарея Акк (Е). Внешние металлические части элементов цепи (выключателя, амперметра, нагревательных элементов) по условиям электробезопасности соединены с заземлённой шиной. Элементы цепи соединены проводами марки ПВ (ГОСТ 6323-71) сечением 4 мм². На схеме замещения электрической цепи (в дальнейшем  на схеме электрической цепи) (см. рис. 1.2б) реальные элементы заменены расчётными моделями и исключены все вспомогательные элементы, не влияющие на результаты расчёта для практических применений.