Электрическая цепь и ее элементы

Область применения устройств постоянного тока.

Как известно, электрическая энергия является основным видом энер­гии, с помощью которой осуществляется механическая работа, на­грев, освещение, химическое преобразование одних веществ в другие.

Постоянный ток широко используется на транспорте (электропо­езда, трамваи, троллейбусы, рудничный транспорт), так как электро­двигатели постоянного тока обладают хорошими возможностями для плавного регулирования частоты вращения ротора в широком диа­пазоне, что необходимо для транспортных средств, особенно для го­родского транспорта.

Постоянный ток используется также для освещения в шахтах, летательных аппаратах и в некото­рых других случаях. Источники постоянного напряжения широко применяются для питания устройств автоматики, промышленной электроники и вычислительной техники.

Электрическая цепь и ее элементы

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения.

Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, рис. 1.1.

В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r₀, с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL1 и EL2.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) 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) 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.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

Совокупность электротехнических устройств рас­сматривают как электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых э. д. с., током I, напряжением U и электрическим со­противлением постоянному току R (для элект­ротехнических устройств постоянного тока). Источники и приемники электрической энергии, являющиеся основными элементами электриче­ской цепи, соединяют проводами для обеспече­ния замкнутого пути для электрического тока. Для включения и отключения электротехнических устройств применяют коммутационную ап­паратуру (выключатели, рубильники, тумбле­ры). Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включать­ся электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощ­ности.

1.3. Схемы замещения электрических цепей

Наиболее абстрактное представление об электрической цепи дают схемы замещения. Они предназначены для исследования электромагнитных процессов и являются расчётной моделью соответствующего устройства.

Реальные элементы электрической цепи заменяют в схеме замещения расчётными моделями, в которых учитывают только существенные параметры и свойства. Так химический источник (аккумулятор) заменяют идеальным источником ЭДС E и включают последовательно с ним резистор r, соответствующий потерям энергии внутри аккумулятора. Амперметр и вольтметр заменяют их входными сопротивлениями (RA и RV). Соединительные провода считаются идеальными проводниками без потерь, т.е. обладающими нулевым сопротивлением. Если входное сопротивление амперметра RA существенно меньше сопротивления лампы накаливания RL, а входное сопротивление вольтметра RV существенно больше, то их исключают из схемы замещения. Если параметры всех элементов схемы замещения известны, то, пользуясь законами электротехники, можно определить их состояние в любой момент времени.

В любой схеме электрической цепи можно выделить один или несколько участков, подключённых к остальной части двумя проводами. Такой участок электрической цепи называется двухполюсником. В простейшем случае двухполюсник состоит из одного элемента цепи, например, лампа накаливания, вольтметр и амперметр.

Если двухполюсник не содержит источников электрической энергии, то он называется пассивным, в противном случае двухполюсник относится к активным двухполюсникам.

При анализе процессов в электрических цепях используют некоторые топологические (геометрические) понятия. К ним относятся понятия узла, ветви и контура.

Узлом электрической цепи называют соединение трёх и более элементов.

Ветвью электрической цепи называют связную совокупность элементов, образующих путь для протекания тока между двумя узлами.

Из признака отсутствия узлов внутри ветви следует, что по всем её элементам протекает одинаковый ток.

Контуром называется замкнутый путь вдоль ветвей электрической цепи.

Узлы, ветви и контуры являются топологическими параметрами цепи и не изменяются при любых преобразованиях схемы, производимых без разрыва связей.