Электрические цепи и их основные параметры.

Основные понятия, схемы, элементы, параметры и топология электрических цепей

Введение.Электротехника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях, например, для получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии. В области коммуникаций и обработки информации также применяют разного типа электротехнические устройства. Создания и рациональное использование электротехнических устройств требует проводить оценку их основных интегральных параметров, таких как сила электрического тока, потенциал, напряжение, электродвижущая сила (ЭДС), сопротивление, емкость, индуктивность и др. Теория электрических цепей (ТЭЦ) – расчетный раздел электротехники, в котором рассматриваются математические модели и методы, позволяющие в определенном приближении решать указанные задачи.

Электрические цепи и их основные параметры.

Электрическая цепь – это совокупность источников и приемников электромагнитной энергии, соединенных проводниками. Источники преобразуют различные виды энергии в электромагнитную энергию – аккумуляторы, генераторы, термо- и фотоэлементы и др.

Приемники – это накопители и потребители энергии электромагнитного поля.

Накопители запасают и затем отдают в цепь электромагнитную энергию, например, индуктивные и емкостные накопители. Потребители преобразуют электромагнитную энергию в другие виды энергии – это нагреватели, лампы, двигатели и т.п.

Свое назначение электрическая цепь выполняет при наличии в ней электрического тока и напряжения. Ток – это упорядоченное движение зарядов, равное скорости их перемещения через поперечное сечение участка цепи:

i = dq/dt, [А = Кл/сек]

Для однозначного определения тока за положительное направление достаточно выбрать одно из двух его возможных направлений.

Потенциал φ – это скалярная величина, равная работе по переносу единицы положительного заряда из данной точки в точку с φ = 0.

Напряжение равно энергии, затрачиваемой на перемещение единицы заряда из одной точки цепи в другую точку и равно разности потенциалов этих точек:

u = dW/dq = φ1 –φ2, [В = Дж/Кл]

Положительное направление напряжения принято связывать с принятым положительным направлением тока.

Движение носителей зарядов в электрической цепи происходит под действием кулоновских сил притяжения от точки с большим потенциалом к точке с меньшим. Если в результате такого движения будет достигнуто условие

φ1 = φ2 и u = 0

то ток и связанные с ним электрические эффекты исчезнут. Чтобы это не происходило, необходимо в течение заданного времени соблюдать условие

то есть, снова разделить разноименные заряды, несмотря на действие кулоновских сил притяжения между ними.

Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, необходимую для такого разделения, то принято говорить, что на этом участке действует сторонняя сила, приводящая их в движение против действия кулоновских сил или, иначе говоря, электродвижущая сила (ЭДС, обозначение Е). Количественно сторонние силы оцениваются работой, которую они должны совершить при переносе единичного заряда через область их действия внутри источника ЭДС (аккумуляторы, генераторы и др.).

E = A/q, [B]

ЭДС, как и напряжение, измеряется в Вольтах. Ток внутри источника ЭДС противоположен по направлению току во внешней цепи.

Величину, которая равна скорости изменения электромагнитной энергии на каком-либо участке цепи, называют мощностью:

P = dW/dt = (dW/dq) (dq\dt) =u i, [Вт = Дж/сек]

Мощность количественная характеристика преобразования энергии: если P>0 – то энергия потребляется на данном участке цепи, а если P<0 – то энергия генерируется на этом участке.

Если скорость изменения зарядов одна и та же, то ток и напряжение также неизменны с течением времени и генерируются источниками постоянного тока и напряжения. Для постоянного тока и напряжения вводятся обозначения: i=I, u=U.

Если ток, напряжение, ЭДС являются функциями от времени, то это будут параметры переменного тока. Если уравнения связи напряжения и силы тока ( вольт - амперная характеристика или ВАХ) линейны, то говорят о линейной цепи. В противном случае, цепь называют нелинейной.