Общие сведения об электрических цепях и их элементах

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

Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя. Т.е. электрическая цепь - совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, приемников и соединяющих их проводов (линия передачи).

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Во внешнюю часть цепи входят соединительные провода, потребители, рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.

Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.

Под электрическими цепями постоянного тока в электротехнике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т. е. полярность источников ЭДС в которых постоянна.

Под электрическими цепями переменного тока имеют ввиду цепи, в которых протекает ток, который изменяется во времени (смотрите, переменный ток).

Источники питания цепи - это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. В современной технике в качестве источников энергии применяют главным образом электрические генераторы. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.[3]

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.

В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).

Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные - напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах необходимо поддерживать номинальное напряжение.

Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.[1]

Основной единицей ЭДС, напряжения и потенциала в Международной системе единиц (СИ) является вольт (В). Вольт есть напряжение между концами проводника, в котором при перемещении положительного заряда в 1 кулон (Кл) совершается работа в 1 джоуль (Дж).

За положительное направление ЭДС принимают направление действия сторонних сил на положительный заряд, то есть направление от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. За положительное направление напряжения принимают направление в сторону понижения потенциала в электрической цепи, то есть направление от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.

За единицу количества электричества в 1 Кл принимают заряд, пересекающий за 1 с сечение проводника с постоянным током в 1 А. [1]

При анализе и расчете электрических цепей источники питания заменяют эквивалентными идеальными источниками, которые, в свою очередь, подразделяют на идеальные источники ЭДС и идеальные источники тока.

Идеальный источник ЭДС представляет собой активный элемент с двумя выводами, напряжение на котором не зависит от сопротивления внешней цепи, то есть не зависит от тока, проходящего через источник. Изображение идеального источника ЭДС приведено на рисунке 1а. Предполагается, что внутри такого источника пассивные элементы (r, L, C) отсутствуют, и поэтому протекание тока через него не вызывает в нем падение напряжения. Внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС равно нулю.

В отличие от пассивных элементов, где ток протекает от большего потенциала к меньшему, в источнике ЭДС этот процесс обратный вследствие действия внутренних сил источника. Работа, затрачиваемая на перемещение заряда от вывода «–» к выводу «+» и отнесенная к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника, и обозначатся в общем случае как e, а постоянная ЭДС, как Е. Соответственно, напряжение на выводах источника ЭДС равно u = e, то есть, положительное направление напряжения противоположно положительному направлению ЭДС.[2]

Идеальных источников ЭДС в природе нет. Нет такого источника, короткое замыкание (соединение выводов проводником с сопротивлением, равным нулю) которого приводит к бесконечно большим токам. В любом источнике существует внутреннее сопротивление, падение напряжения на котором при коротком замыкании уравновешивает ЭДС источника, поэтому ток короткого замыкания имеет конечную величину.

Источник ЭДС конечной мощности изображается идеальным источником ЭДС и последовательно включенным пассивным элементом, параметры которого подбираются такими, чтобы отобразить реальные процессы на выводах источника.

Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением и называемые резисторами, характеризуются так называемой вольт-амперной характеристикой - зависимостью напряжения на зажимах элемента от тока в нем или зависимостью тока в элементе от напряжения на его зажимах.

Если сопротивление элемента постоянно при любом значении тока в нем и любом значении приложенного к нему напряжения, то вольт-амперная характеристика прямая линия и такой элемент называется линейным элементом.

В общем случае сопротивление зависит как от тока, так и от напряжения. Одна из причин этого состоит в изменении сопротивления проводника при протекании по нему тока из-за его нагрева. При повышении температуры сопротивление проводника увеличивается. Но так как во многих случаях эта зависимость незначительна, элемент считают линейным. Реальный элемент электрической цепи, основной характеристикой которого является параметр сопротивление R, называется резистором.

Резистор - это специальное устройство, вводимое в электрическую цепь для регулирования тока и напряжения.

Основной единицей сопротивления в СИ является ом (Ом), однако часто используют и производные единицы: килом - 1 кОм = 10³ Ом, мегаом - 1 МОм = 10⁶ Ом.[3]