Раздел 2 Электрические цепи постоянного тока

1.Электрическая цепь и ее элементы.

Основные законы цепей постоянного тока

3. Способы соединения (приемников) сопротивлений и расчет эквивалентного
сопротивления электрической цепи

Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока.

Электрический ток может возникать только  в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой   I.

Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии.  В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила Е (измеряется в вольтах В). Стрелка на изображении источника указывает в сторону большего потенциала (+). На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи (приемнике), возникает электрический ток.

Для  расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы (Рис.1), содержащей условные обозначения ее элементов и способ их соединения:

Е —ЭДС источника; r ₀ -  его внутреннее сопротивление, отражает потери энергии при протекании тока через него; R - сопротивление приемника (нагрузки).

 

  Рис.1

 

Приемники или потребители на схемах замещают их сопротивлениями.

Основные законы цепей постоянного тока

Расчет и анализ  состояния электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа. На основе этих законов устанавливается взаимосвязь между значениями токов, напряжений, ЭДС всей электрической цепи и отдельных ее участков и параметрами элементов, входящих в состав этой цепи.

1)Закон Ома для участка цепи

Соотношение между током I, напряжением U_R и сопротивлением R участка аb электрической цепи (Рис. 1) выражается законом Ома:

                                                 

В этом случае  U_R=R∙I  называют напряжением или падением напряжения на резисторе  R,  а  I – током в резисторе R.

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью g:

                                               

В этом случае закон Ома для участка цепи запишется в виде:

                                                        I = U∙g

Закон Ома для всей цепи

 Этот закон определяет зависимость между ЭДС E источника питания с внутренним сопротивлением r ₀,током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением  R_Э=r₀+R  всей цепи (Рис. 1):

                                        

2.3   Режимы работы электрических цепей

Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах в отношении величин напряжений, токов и мощностей. Наиболее характерными являются номинальный и согласованный, а также режимы холостого хода (х.х) и короткого замыкания (к.з).
Номинальным режимом работы элемента электрической цепи считается режим, при котором он работает с номинальными параметрами указанными заводом-изготовителем.
Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи: R= r₀
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором через источник или приемник не протекает электрический ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю часть цепи, а приемник не потребляет ее. В цепи обрыв  или нагрузка отключена R= : ток Iх.х.=0

Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой разноименных зажимов источника или пассивного элемента, а также участка электрической цепи, находящегося под напряжением  При коротком замыкании (к.з.) R=0; ток возрастает Iк.з.=E/ r₀

В действующей цепи электрическая энергия источника питания преобразуется в другие виды энергии. На участке цепи с сопротивлением R в течение времени t при токе I расходуется электрическая энергия

                                                     W = I ² R t.

Скорость преобразования электрической энергии в другие виды представляет электрическую мощность

                                            .                                                                         

Из закона сохранения энергии следует, что мощность источников питания в любой момент времени равна сумме мощностей, расходуемой на всех участках цепи.

                                                                                                  

Это соотношение называют уравнением баланса мощностей.

При составлении уравнения баланса мощностей следует учесть, что если действительные направления ЭДС и тока источника совпадают, то источник ЭДС работает в режиме источника питания, и произведение EI подставляют в уравнение   со знаком плюс. Если не совпадают, то источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии, и произведение EI подставляют со знаком минус. Для цепи, показанной на (рис. 1) уравнение баланса мощностей запишется в виде:

                                                          EI=I²∙(r₀+R)

3) Законы Кирхгофа

 

Первый закон Кирхгофа

 Первый закон Кирхгофа говорит  о том, что алгебраическая сумма токов в любом узле абсолютно любой электрической цепи равна нулю. Или  сумма втекающих токов, равна  сумме вытекающих из узла токов. Узлом в сети называется такой участок цепи, в котором соединяются три и более проводника. Ток, входящий в узел, обозначается стрелочкой, имеющей направление к узлу, а вытекающий - стрелочкой, имеющей направление от узла.При этом положительные и отрицательные знаки токам присвоены условно и если вы поменяете их с точностью до наоборот, то ничего принципиально не изменится.

Второй закон Кирхгофа