Электрическая цепь и ее элементы

Составные элементы электрической цепи. Электрическую цепь (рис. 12, а) образуют источники ' электрической энергии /, ее прием­ники 3 (потребители) и соединительные провода. В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное оборудование: аппараты 4, служащие для включения и выключения электри­ческих установок (рубильники, переключатели и др.), электроизме­рительные приборы 2 (амперметры, вольтметры, ваттметры), за­щитные устройства (предохранители, автоматические выключатели).

В качестве источников электрической энергии применяют глав­ным образом, электрические генераторы и гальванические элементы или аккумуляторы. Источники электрической энергии часто назы­вают источниками питания.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. К приемникам относятся электродвигатели, различ­ные электронагревательные приборы, лампы накаливания, электро­литические ванны и др.

Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внешний и внутренний. Внешний участок, или, как говорят, внеш­няя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электри-

В дальнейшем будем употреблять сокращенные термины «источник» и «приемник».

ческой энергии, соединительных проводов и различных вспомога­тельных устройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок, или внутренняя цепь, — это сам источник.

Изображение электрических цепей и их элементов. В схемах реальных электрических устройств (электровозов, тепловозов и др.) отдельные элементы имеют свои условные обозначения в соответ­ствии с государственными стандартами. Некоторые из этих обозна­чений приведены в табл. 2.

При составлении расчетных схем элементы электрической цепи, имеющие некоторое сопротивление, например электрические лампы, электронагревательные приборы (в том числе и соединительные провода, если их необходимо учитывать при расчете), изобра­жают в виде сосредоточенных в соответствующем месте схемы ре­зисторов с сопротивлением /? (рис. 12, б). То же относится к эле­ментам, имеющим индуктивность (обмотки генераторов, электро­двигателей и трансформаторов) и емкость (конденсаторы). На расчетных схемах их изображают в виде сосредоточенных в соот­ветствующем месте катушек индуктивности и конденсаторов. Источ­ники электрической энергии в схеме электрической цепи часто могут быть представлены в виде идеализированных источников, у которых внутреннее сопротивление /?о = 0.

Для того чтобы учесть внутреннее сопротивление реального источника, в схему вводят изображение резистора с сопротивлением /?о или ставят букву /?₀ возле условного обозначения источника.

Вспомогательные элементы электрических цепей (аппараты для включения и выключения, защитные устройства, некоторые электро­измерительные приборы) в большинстве случаев имеют малые сопротивления и практически не оказывают влияние на значения токов и напряжений, поэтому при расчете электрических цепей их не принимают во внимание и не указывают на схемах.

Направления тока, напряжения и э, д. с. в электрической цепи. В схемах электрических цепей направления тока, напряжения и э. д. с. изображают стрелками. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. ток во внешней цепи изображают стрелкой /, направленной от

положительного зажима источника электрической энергии к отрица­тельному его зажиму (см. рис. 12, б), во внутренней цепи ток направлен от отрицательного зажима к положительному. Поло­жительное направление напряжения совпадает с положительным направлением тока. Стрелка И направлена от положительного зажима источника или приемника к отрицательному зажиму. Поло­жительное направление э. д. с. совпадает с положительным на­правлением тока внутри источника (стрелка Е направлена от отрицательного зажима источника к положительному).

В сложных электрических цепях бывает затруднительно пока­зать действительные направления тока и напряжения на отдельных участках цепи. В таких случаях принимают произвольно какие-либо их направления, которые считают условно положительными, и для этих направлений выполняют расчет электрической цепи. Если в ре­зультате расчета выясняется, что какие-то токи и напряжения имеют положительный знак, то это означает, что выбранные для них направления соответствуют действительности. Если же какие-то токи и напряжения получаются отрицательными, то в действи­тельности они имеют направление, противоположное выбранному.

Закон Ома

Закон Ома для электрической цепи. Согласно этому закону сила тока I в электрической цепи равна э. д. с. Е источника, поде­ленной на сопротивление цепи /?_Ц) т. е.

Полное сопротивление замкнутой электрической цепи (рис. 13) можно представить в виде суммы сопротивления внешней цепи /? (например, какого-либо приемника электрической энергии) и внут­реннего сопротивления /?₀ источника. Поэтому сила тока

Чем больше э. д. с. Е источника и чем меньше сопротивление электрической цепи, тем больший ток проходит по этой цепи.

Закон Ома для участка электрической цепи. Закон Ома может быть применен не только ко всей цепи, но и к любому ее участку, например между точками а и б (см. рис. 13). В этом случае э. д. с. Е источника в формуле (7) должна быть заменена разностью потенциалов между началом и концом рассматриваемого участка, т. е. напряжением 11, а вместо сопротивления всей цепи в формулу должно быть подставлено сопротивление /? данного участка. В этом случае закон Ома формулируется следующим образом. Сила тока I на данном участке электрической цепи равна напряжению V, приложенному к участку, поделенному на сопротивление Я этого участка:

Прохождение электрического тока по проводникам полностью аналогично прохождению воды по трубам (рис. 14). Чем больше разность уровней воды при входе и выходе из трубы (напор) и чем больше поперечное сечение трубы, тем больше воды протекает сквозь трубу в единицу времени. Точно так же, чем больше разность электрических потенциалов (напряжение) на зажимах источника или приемника электрической энергии и чем меньше его сопротив­ление (т. е. чем больше площадь поперечного сечения проводника), тем больший ток проходит по нему.

Из формулы (9) следует, что напряжение V, действующее на некотором участке цепи, равно произведению силы тока I на сопро­тивление Я этого участка:

Так как потенциал электрического поля в начале участка электрической цепи больше, чем в конце, разность потенциалов, или напряжение II, приложенное к участку электрической цепи, часто называют падением напряжения на данном участке.

Сопротивление Я участка цепи равно напряжению, приложенному к данному участку, поделенному на силу тока на этом участке, т. е.

Если сопротивление /? не зависит от проходящего по нему тока и приложенного к нему напряжения, то его вольт-амперная харак­теристика, т. е. зависимость силы тока / от напряжения с/, пред­ставляет собой прямую линию / (рис. 15). Такие сопротивления называют линейными, а электрические цепи, в которых включены подобные сопротивления,— линейными цепями.

Однако в электротехнике широко применяют и такие устройства, сопротивление которых резко изменяется в зависимости от силы или направления проходящего через них тока либо приложенного напряжения. Подобные сопротивления имеют вольт-амперную харак­теристику, отличающуюся от прямой (кривая 2 на рис. 15), и назы­ваются поэтому нелинейными сопротивлениями. Простейшим не­линейным сопротивлением является электрическая лампа накалива­ния. При протекании тока по металлической нити лампа нагрева­ется и сопротивление ее возрастает. Следовательно, при увеличении приложенного к лампе напряжения сила тока будет возрастать не прямо пропорционально напряжению, а в несколько меньшей степени.

В принципе большинство электрических устройств может быть представлено в виде нелинейного сопротивления, так как при из­менении силы тока меняется температура данного устройства, а сле­довательно, и его сопротивление. Однако у многих из них вольт-амперные характеристики в рабочем диапазоне изменений напряже­ния и тока мало отличаются от прямой, поэтому приближенно можно их считать линейными сопротивлениями.

К сопротивлениям с нелинейной вольт-амперной характеристикой относятся электрические лампы накаливания, термисторы (полу­проводниковые резисторы, сопротивление которых сильно изменяется при изменении температуры), полупроводниковые диоды, тиристоры и транзисторы, электронные лампы и пр. Нелинейные сопротивле­ния широко используют в электротехнике для автоматического регулирования силы тока и напряжения в электрических цепях, электрических измерений, выпрямления тока и пр.