Классификация электрических цепей и их элементов

В зависимости от того, для какого тока предназначается элек­трическая цепь, ее называют соответственно: «электрическая цепь постоянного тока», «электрическая цепь изменяющегося тока», «электрическая цепь синусоидального тока», «электрическая цепь несинусоидального тока».

Аналогично именуют и элементы цепей: «машина постоянного тока», «машина переменного тока», «источник постоянного тока», «приемник постоянного тока» и т.д.

Ветленные и разветвленные цепи, по числу источ­ников электрической энергии — цепи с одним и несколь­кими источниками электрической энергии. Встречаются и другие наименования цепей, о которых будет ска­зано в последующих главах.

 

ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

 

Каждый элемент электрической цепи обладает свойствами по­глощать электрическую энергию из цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии (необратимый процесс), создавать свои магнит­ное и электрическое поля, энергии которых могут накапливаться и при определенных условиях возвращаться обратно в цепь (обра­тимый процесс). Чтобы характеризовать эти свойства, вводят по­нятие параметров элемента.

Параметр сопротивления r характеризует свой­ство элемента поглощать энергию из электрической цепи и преобра­зовывать ее в другие виды энергии. Известно, что мощность (Р, р ) преобразования электрической энергии пропорциональна квадра­ту тока (I²,i²), поэтому величина этого параметра определяется отно­шением r_= Р/I² для постоянного тока и r_~= р/i² для перемен­ного тока.

Свойства элемента цепи создавать собственное магнитное поле (поле самоиндукции), когда в нем имеется электрический ток, ха­рактеризуют параметром индуктивности L. Па­раметр индуктивности является коэффициентом пропорциональности между током (I, i) и потокосцеплением (, ) данного устройства: или Его называют коэффициентом самоиндукции и измеряют в Генри (Г).

Вебер-амперная характеристика элемента дает возможность судить об изменении его параметра индуктивности в зависимости от тока.

Параметр взаимной индуктивности М ха­рактеризует свойство первого элемента с током i₁ создавать магнит­ное поле, частично сцепляющееся с витками w₂ второго элемента. Потокосцепление второго элемента (первый индекс), обуслов­ленное током i₁, первого элемента (второй индекс), называют пото­косцеплением взаимоиндукции второго элемента. Параметр взаим­ной индуктивности M является коэффициентом пропорциональности между током первого элемента и созданным этим током потокосцеп­лением второго элемента: или .

Аналогичная связь имеется между потокосцеплением перво­го элемента, обусловленного током второго элемента: или .

Емкостный параметр С характеризует свойство эле­мента накапливать заряды или возбуждать ими электрическое поле. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между напряжением и зарядом элемента: q =CU, q=Си. О величине емкостного параметра при разных напряжениях можно судить по кл.в.х. элемента.

В общем случае любое реальное устройство обладает всеми тремя параметрами r, L и С.

В настоящее время имеются специально изготовленные резисторы, индуктивные катушки и конден­саторы, работу которых в определенных условиях с достаточ­ной степенью точности можно характеризовать только одним пара­метром. Нарушение заданных условий приводит к возникновению явлений, характеризующихся другими параметрами. Кроме специально изготовленных устройств с одним парамет­ром, встречаются устройства, работу которых приближенно ха­рактеризуют также одним параметром. Например, лампы накали­вания, печи нагрева характеризуют только параметром сопротив­ления, а некоторые обмотки возбуждения машин и аппаратов — только параметром индуктивности.

Основное свойство источника электрической энер­гии— способность создавать и поддерживать разность потенциалов на отдельных участках цепи, а также возбуждать и поддерживать.электрический ток в замкнутой цепи — характеризуют его электро­движущей силой. Величина э.д.с. (Е, е) равна той энергии, которую приобретает положительный заряд величиной в 1 Кл, перемещаясь под действием сторонних сил по источнику. Если за время dt по ис­точнику переменного тока проходит заряд dq=idt, то развиваемая источником энергия dW_э=edq = eidt и мгновенная мощность р = dW_э/dt = ei. Для источника постоянного тока развиваемые энергия и мощность соответственно равны: W_э = EIt иР = EI.

Прохождение тока по источнику сопровождается потерей энер­гии внутри источника на нагрев. Эти потери характеризуют пара­метром сопротивления r. Поэтому параметр сопротивления наряду с э.д.с. является важнейшим параметром источника. В некоторых случаях в источниках переменного тока учитывают также пара­метр индуктивности L.

Элементы цепи, работу которых можно описать с помощью пара­метров r, L, М и С, называют пассивными. Термин «пассив­ный» подчеркивает, что такие элементы не могут выполнить свое назначение без воздействия на них посторонних источников.

Элементы цепи, для описания работы которых, кроме пассив­ных параметров, необходимо вводить э.д.с, называют актив­ными. К активным элементам относят все источники электри­ческой энергии и некоторые приемники, при описании процессов в которых нельзя ограничиться только пассивными парамет­рами (аккумуляторы при зарядке, двигатели постоянного тока и др.).

Элементы цепи, обладающие только одним параметром, будем называть идеальными. Идеальный источник питания имеет только параметр Е, идеальный индук­тивный элемент (идеальная индуктивная катушка) — только параметр L, идеальный емкостный элемент (идеальный конденсатор) — только параметр С; только один пара­метр сопротивления r имеет резистивный элемент (резистор). На рис. 1. 3 показаны обозначения этих элементов в схемах.