Электрическая ⭐ цепь и ее составляющие: определение и законы физики, схемы, формулы

Вопросы и ответы

Электрическая цепь — что это такое

Определение 1

Электрический ток в физике — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Определение 2

Электрическая цепь – это совокупность устройств, предназначенных для передачи электрического тока.

Простейшая электрическая цепь состоит из источника питания, приемника (потребителя) и системы передачи (провода). Чтобы эти элементы стали целостной цепочкой, их нужно правильно соединить друг с другом. Кроме того, цепь должна быть замкнута.

Определение 3

Источник питания – это устройство, в котором различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию:

  1. Первичные источники — преобразуют неэлектромагнитную энергию в электрическую: батарея, гальванический элемент, генератор, аккумуляторы.
  2. Вторичные источники — всегда работают только с электрической энергией: выпрямители, инверторы, трансформаторы.

Определение 4

Потребитель – это устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии (лампа, обогреватель, электродвигатель).

Определение 5

Накопитель — это устройство, которое накапливает, а затем возвращает электромагнитную энергию (конденсатор, катушка индуктивности) обратно в цепь).

Устройства включения/выключения — рубильники.

Приборы для измерения величин — амперметр, вольтметр.

Устройства защиты — предохранители.

Резисторы — это элементы цепи, которые имеют сопротивление.

Электрическая цепь делится на:

  1. Внутренняя часть. Это включает в себя источник энергии.
  2. Внешняя часть. Он включает в себя все остальные элементы — все, что подключено к клеммам источника.

Кривые напряжения и тока в емкостном сопротивлении

В идеальной емкости ток опережает напряжение на 90°

p002-0-01-041.png

Режим — состояние электрической цепи переменного тока описывается дифференциальными уравнениями, представляющими собой уравнения с постоянными коэффициентами и правыми частями, например:

p002-0-01-042.png

Из курса высшей математики известно, что общее решение такого уравнения можно найти методом наложения вынужденного и свободного режимов:

p002-0-01-043.png

куда

p002-0-01-044.png
— ток принудительного режима при di/dt=0

p002-0-01-045.png
— мощность свободного режима.

Свободные процессы исследуются для определения стабильности системы. В стабильной системе процессы должны затухать. Принудительный и свободный режимы вместе определяют процессы, называемые переходными режимами, т е переходом от одного устойчивого состояния к другому.

В установившемся режиме ток и напряжение длительное время сохраняют свои амплитудные значения.

В цепях постоянного тока токи и напряжения остаются неизменными, а в цепях переменного тока кривые изменения токов и напряжений остаются неизменными.

Кривые напряжения и тока в активном сопротивлении

Величину переменного напряжения или тока можно оценить по амплитудному значению, или по среднему значению за полупериод, или по действующему значению. При изменении напряжения или тока по закону синусоиды определяют среднее значение напряжения:

p002-0-01-027.png

При большой частоте вращения ротора генератора, т е при большой частоте колебаний, например, ds и силы тока, измерять их амплитуды на практике крайне нецелесообразно. По этой причине мы ввели величины, называемые действующими значениями e ds, тока и напряжения.

Действующее значение силы переменного тока – это сила такого постоянного тока, при прохождении которого по той же цепи и за то же время выделяется такое же количество теплоты, как и при прохождении переменного тока.

p002-0-01-028.png

куда

p002-0-01-029.png

При синусоидальном законе действующие значения тока и напряжения равны:

p002-0-01-030.png

Приборы в электромагнитной системе, которые используются для измерения напряжений и токов переменного тока, регистрируют действующие значения. Вес этих устройств откалиброван соответствующим образом.

Ток, проходящий через индуктивность L (рис. 7), изменяется по закону синусоиды /’ = Im sin(co/+y;).

p002-0-01-031.jpg

Электрическая цепь с постоянным током

В электрической цепи постоянного тока электродвижущая сила, направленная внутри источника электричества от отрицательного полюса к положительному, возбуждает электрический ток того же направления. Его можно определить по закону Ома для всей цепи:

$I = frac {E}{R + R_{BT}}$, где:

  • $R$ — сопротивление внешней цепи, состоящей из соединительных проводов и приемника;
  • $R_{BT}$ — сопротивление внутренней цепи, в состав которой входит источник электрической энергии.

Определение 1

Если все элементы электрической цепи и их сопротивления не зависят от направления и величины тока и электродвижущей силы, такие элементы называются линейными.

Стоит отметить, что в одноконтурной электрической цепи постоянного тока, имеющей источник электрической энергии, сила тока прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

Отсюда следует, что $E-R_{BT} L = RI$, откуда:

$I = frac {(E — R_{BT} l)}{R}$ или $I = frac {U}{R} $, где:

$U = E — R_{BT} l$ — напряжение источника тока, направленное от положительного полюса к отрицательному.

При постоянной ЭДС напряжение зависит только от электрического тока, определяющего падение напряжения $R_{BT}l$ внутри источника тока, но только при сопротивлении внутренней электрической цепи $R_{BT} = const $.

Выражение $I = frac {U}{R}$ представляет собой закон Ома для участка электрической цепи, к зажимам которого приложено напряжение $U$, совпадающее с электрическим током $I$ в том же участок цепи.

Зависимость напряжения от электрического тока $U(I)$ при $E — const$ и $R_{BT} = const$ называется внешней (вольтамперная характеристика для линейного источника тока). По этому свойству можно определить соответствующее напряжение для любого тока и по приведенным ниже формулам рассчитать мощность приемника тока:

$P_2 = RI^2 = frac {E2R}{(R + R_{BT})^2}$

Источник питания:

$P_1 = (R + R_{BT}) I^2 = frac {E^2}{R + R_{BT} }$

Эффективность установки в цепи постоянного тока:

$eta = frac {P_2}{P_1} = frac {R}{R+R_{BT} } = frac {1}{1 +frac {R_{BT}} }{R}} $

Точка Х на вольт-амперной характеристике источника тока соответствует режиму холостого хода с разомкнутой электрической цепью. При этом электрический ток $l_X = 0$, а напряжение $U_X = E$.

Точка К необходима для характеристики режима короткого замыкания, возникающего при подключении зажимов к источникам тока. Внешнее сопротивление равно нулю $R=0$. При этом образуется электрический ток короткого замыкания $I_K = frac {E}{R_{BT} }$, в несколько раз превышающий номинальный ток $I_HOM$. Это происходит потому, что внутреннее сопротивление источника тока $R_{BT}

Точка C соответствует согласованному режиму, когда сопротивление внешней электрической цепи равно сопротивлению внутренней цепи $ R_{BT} $ источника электроэнергии. В этом режиме электрический ток $I_c = frac {E}{2R_{BT} }$ генерируется внешней цепью и соответствует наибольшей мощности $R2_max = frac {E2}{4R_{BT} }$. Эффективность в этом случае равна нулю: $eta c = 0$.

С учетом всего вышеизложенного был согласован режим, который:

$frac {P2}{P2_max} = frac {4R^2}{(R + R_{BT})^2} = 1$ и $I_c = frac {E}{2R} = 1$

Режимы электрических цепей в электроэнергетических установках существенно отличаются от условных режимов и характеризуются токами, определяющими сопротивления приемников $R$ и $R_{BT}$. В результате операционные системы с высокой эффективностью.

Изучение явлений, происходящих в электрических цепях, упрощается, если их заменить эквивалентными цепями. Эти формы представлены в виде математических моделей с идеальными элементами. Эти схемы подробно показывают характеристики электрической цепи и при определенных условиях значительно облегчают анализ электрического состояния цепей.

Читайте также: Контактный клей

Кривые напряжения и тока в индуктивном сопротивлении

Напряжение на индуктивности определяется выражением

p002-0-01-032.png

куда

p002-0-01-033.png

p002-0-01-034.png
— индуктивное сопротивление

Индуктивное сопротивление выражается в омах, оно играет роль сопротивления в цепи переменного тока с дросселем.

В идеальной индуктивности ток отстает от напряжения на 90°.

p002-0-01-035.png

Если напряжение на емкости изменяется по закону синусоиды p002-0-01-036.png
, тогда

p002-0-01-037.png

p002-0-01-038.png

p002-0-01-039.png
— емкость.

Емкость выражается в омах и играет роль сопротивления в цепи переменного тока с конденсатором.

Виды электрических цепей

Электрические цепи могут быть:

  1. Цепями постоянного тока называются цепи, в которых ток не меняет направление, полярность источников ЭДС постоянна.
  2. Цепи переменного тока — это цепи, в которых сила тока изменяется во времени.
  3. Разветвленная – каждая ветвь имеет свой ток.
  4. Неразветвленные – во всех элементах цепи течет одинаковый ток.
  5. Линейный — все компоненты линейны (описываются линейными дифференциальными уравнениями).
  6. Нелинейный — есть нелинейные элементы.

Элементы электрической цепи делятся на:

  1. Активные — источники ЭМП, электродвигатели, аккумуляторы во время зарядки.
  2. Пассивные – электроприемники, соединительные кабели.

Обозначения основных элементов цепи:

Источник: uk-parkovaya.ru

Все элементы соединяются двумя способами:

  1. Последовательный метод — компоненты соединяются в последовательную цепь.
  2. Параллельный режим — компоненты соединены в параллельную цепь.

Кроме того, для этих методов верны следующие утверждения:

Серийное соединение:

Я=я1=я2

У=У1+У2

R=R1+R2, где параметры

I — сила тока (А).

U — напряжение (В).

R — сопротивление (Ом).

Параллельное соединение:

Я=я1+я2

У=У1=У2

1/R=1/R1+1/R2

Схемы, основные формулы

Диаграмма используется для характеристики электрической цепи.

Основные термины для понимания схемы:

  1. Ветвь – это часть цепи, по которой течет один и тот же ток.
  2. Узел – это соединение ветвей цепи.
  3. Контур — это последовательность ответвлений, образующих замкнутый путь.

Примеры форм:

Основные законы, используемые при расчете цепей:

  1. Закон Ома.
  2. Правила Кирхгофа.

Закон Ома.

Для полной цепочки: I=ε/(R+r), где:

  • I — сила тока (А);
  • е — ЭДС источника напряжения (В);
  • R — сопротивление внешних элементов (Ом);
  • r — внутреннее сопротивление (Ом).

Для участка цепи: I=U/R, где:

  • I — сила тока (А);
  • U — напряжение (В);
  • R — сопротивление (Ом).

Правила Кирхгофа:

Правило 1

Алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в каждом узле любой цепи, равна нулю.

Правило 2

Алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах в замкнутой цепи равна алгебраической сумме ЭДС, включенных в эту цепь.

Мощность цепи переменного тока

p002-0-05-01.jpg

Оцените статью
Блог про технические приборы и материалы