электро часть 1. 1 Цепи постоянного тока 1 Общие положения
 Скачать 3.08 Mb.
|
1 Цепи постоянного тока1.1 Общие положенияЭлектрической цепью называется искусственно созданный путь для электрического тока. Пример электрической цепи показан на рисунке 1.1.  Рисунок 1.1 - Электрическая цепь Основное назначение электрической цепи - распределение и взаимное преобразование электрической и других видов энергии. Электрическая цепь состоит из трех основных элементов: источника электрической энергии; приемника электрической энергии; соединительных проводов. Рассмотрим каждый из этих элементов цепи подробнее. 1.1.1 Источник электрической энергииИсточники электрической энергии разнообразны: гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы, термоэлектрические и солнечные батареи и т.д. Они превращают химическую, механическую, тепловую, световую или энергию других видов в электрическую энергию. На схемах источники энергии обозначаются так, как показано на рисунке 1.2.  Рисунок 1.2 - Условные обозначения источников Где  - внутреннее сопротивление источника энергии.В элементах и аккумуляторах, внутреннее сопротивление - это сопротивление электролита и граничных слоев между электролитом и электродами, в генераторах - это сопротивление меди обмоток. Основное назначение источника энергии - создать и постоянно поддерживать в цепи разность потенциалов, разность электрических уровней; создать как бы электрический напор, под воздействием которого и образуется упорядоченное движение электрических зарядов, то есть ток. Принято зажим высшего потенциала источника обозначать знаком «+», а зажим низшего потенциала знаком «». Разность электрических потенциалов количественно определяется величиной, которая называется - электродвижущей силой или коротко ЭДС и обозначается на схемах буквой «Е»  , (1.1)где  - высший потенциал или уровень источника;  - низший потенциал источника.Направление действия ЭДС обозначается стрелкой, направленной от низшего потенциала к высшему, то есть от «» к «+». Работа источника хорошо оценивается с помощью так называемой внешней характеристики. Внешней характеристикой называется функциональная зависимость напряжения на клеммах источника от величины тока, протекающего через источник. Примерный вид внешних характеристик источников электрической энергии показан на рисунках 1.3 и 1.4.  Рисунок 1.3 - Внешняя характеристика источника электрической энергии Из характеристики видно, что с увеличением тока напряжение на клеммах источника несколько уменьшается за счет потери напряжения на внутреннем сопротивлении . В целом, же с ростом тока, напряжение на источнике остается более или менее постоянным. Подобные характеристики имеют гальванические элементы, аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного тока, выпрямители. На рисунке 1.4 приведена внешняя характеристика источника электрической энергии другого вида. Здесь, ток вырабатываемый источником остается более или менее постоянным, при значительном изменении напряжения на клеммах источника. Отличительная особенность таких источников - очень большая величина внутреннего сопротивления, значительно превышающая сопротивление приемника электрической энергии. Данные источники строят по специальным схемам и широко применяют в современной электронике.  Рисунок 1.4 - Внешняя характеристика источника электрической энергии 1.1.2 Приемник электрической энергииПриемники электрической энергии или нагрузки, или потребители - разнообразны. Это могут быть электрические лампы, нагревательные приборы, электродвигатели и другие устройства. В нагрузках электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую и другие виды энергии. На схемах, нагрузка учитывается с помощью соответствующих сопротивлений и условно обозначается так, как показано на рисунке 1.5.  Рисунок 1.5 - Условное изображение нагрузки В общем случае сопротивление нагрузки  зависит от тока, протекающего по нему. Однако, эта зависимость при расчетах цепей используется редко.На практике, чаще используют зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки, которая называется вольтамперной характеристикой. Вольтамперной характеристикой называется функциональная зависимость напряжения на зажимах нагрузки от тока, протекающего через нагрузку. Вольтамперные характеристики могут быть самыми разнообразными, например такими, как показано на рисунке 1.6.  Рисунок 1.6 - Вольтамперные характеристики нагрузки Характеристика «а» называется линейной. Характеристики «б» и «в» называются нелинейными. В связи с указанным, нагрузки бывают линейными и нелинейными. Линейным элементом или нагрузкой называют такой, сопротивление которого , при любых значениях тока через него, остается постоянным, а вольтамперная характеристика представляет собой прямую линию.Нелинейным элементом называют такой, сопротивление которого непостоянно и зависит от величины тока, проходящего через него, а вольтамперная характеристика представляет собой кривую линию.Только линейные элементы подчиняются закону Ома:  (1.2)1.1.3 Соединительные проводаСоединительные провода или линия, обозначены на рисунке 1.1 -  и  . Они обеспечивают передачу электрической энергии, транспортируют энергию от источника к нагрузке.Их назначение передать электрическую энергию потребителю с минимальными потерями. Рассмотрев отдельные элементы, вернемся обратно к электрической цепи, как к сосредоточию всех элементов. 1.1.4 Основные определения теории цепей постоянного токаЦепью постоянного тока называется такая, в которой ЭДС, токи и напряжения остаются постоянными по величине и не зависят от времени. Цепи делятся на два больших класса: - линейные; - нелинейные. Электрические цепи, содержащие только элементы с линейными вольтамперными характеристиками называются линейными цепями. Электрические цепи, содержащие элементы с нелинейными характеристиками называются нелинейными цепями. Строго говоря, любые цепи нелинейны, однако, если степень нелинейности мала, то ею пренебрегают и считают такую цепь линейной. В дальнейшем мы будем рассматривать пока только линейные цепи, так как лишь они подчиняются закону Ома и могут рассчитываться аналитическими методами. Электрическая цепь состоит из двух участков: - внешний участок цепи - ;- внутренний участок цепи - .Внешним участком цепи или внешней цепью называют часть цепи, которая присоединяется извне к зажимам источника. Внутренним участком цепи или внутренней цепью называют часть цепи, которая проходит внутри источника энергии между его зажимами через электролит или обмотки генератора. Таким образом, полная электрическая цепь всегда содержит внешний и внутренний участки. Электрические цепи делятся на: - замкнутые; - разомкнутые. Замкнутой цепью называется такая, в которой имеется непрерывный путь для тока, а общее сопротивление цепи меньше бесконечности,  .Разомкнутой цепью называют такую, в которой путь для тока прерывается, а общее сопротивление равно бесконечности  .По закону Ома для полной цепи имеем  , (1.3)если , то  ,если , то  .Отсюда выводы: только в замкнутой цепи может протекать ток; в разомкнутой цепи ток не существует, но может существовать напряжение или ЭДС. Ток протекает по проводнику цепи, поэтому стрелку тока принято размечать на самом проводнике. За положительное направление тока во внешней цепи, принято направление от высшего потенциала к низшему, то есть от «+» к «». За положительное направление тока во внутренней цепи принято направление от низшего потенциала к высшему, то есть от «» к «+». Напряжение на любом участке цепи есть реакция на ток, поэтому стрелку напряжения принято размечать параллельно элементу и всегда против ранее размеченной стрелки тока. (см. рисунок 1.7).  Рисунок 1.7 - Стрелки тока и напряжения Электрическая цепь может работать в различных режимах, однако все эти режимы, сколько бы их не было, находятся между двумя крайними режимами - холостым ходом и коротким замыканием.  Рисунок 1.8 - Режим холостого хода Режимом холостого хода цепи называют такой режим, при котором сопротивление нагрузки  , то есть внешняя цепь разомкнута (см. рисунок 1.8). Следовательно, .При режиме холостого хода ток холостого хода равен нулю. Режимом короткого замыкания цепи называется такой режим, при котором сопротивление нагрузки  , то есть внешняя цепь замкнута накоротко (см. рисунок 1.9). Рисунок 1.9 - Режим короткого замыкания Следовательно,  . (1.4)Таким образом, при коротком замыкании ток в цепи максимален и ограничивается только величиной внутреннего сопротивления источника энергии.Чтобы ток короткого замыкания не разрушал источника его внутреннее сопротивление не должно быть слишком малым. Если записать уравнения электрического состояния цепи, показанной на рисунке 1.1, по второму закону Кирхгофа, то получим  , отсюда . (1.5)Из выражения (5) следует, что  . (1.6)ЭДС источника численно равна напряжению на его клеммах при холостом ходе. ЭДС источника отличается от напряжения источника на величину потери напряжения внутри источника. ЭДС - самое большое напряжение, которое может развивать источник при холостом режиме. Из выражения (1.5) следует, что внутреннее сопротивление должно быть минимальным, чтобы внутри источника не было больших потерь напряжения. Из условий (1.4) и (1.5) выбирается оптимальное значение величины внутреннего сопротивления источника. |