Режимы работы электрических цепей

Основные понятия и определения

Электрическим током называется направленное движение электрически заряженных частиц. В металлах ток обуславливается движением электронов, в жидкостях - движением ионов.

Ток, остающийся неизменным с течением времени по величине и направлению, называется постоянным.

Электрической цепью называется совокупность соединенных между собой источников и приемников электрической энергии. К электрической цепи также относятся коммутационная аппаратура, измерительные приборы и соединительные провода, которые служат для передачи электрической энергии от источников к потребите­лям.

В источниках электрической энергии происходит преобразо­вание неэлектрических видов энергии в электрические.

В приемниках электрической энергии происходит преобразо­вание электрической энергии в другие виды энергии: тепловую, световую, механическую и другие виды энергии.

Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой. Электрическая схема, изображенная с по­мощью условных обозначений, называется принципиальной электри­ческой схемой.

Электрические цепи характеризуются понятиями: ветвь, узел, контур.

Ветвь - участок электрической цепи, по которому протекает один и тот же ток.

Узел - точка электрической цепи, в которой соединяются три или более ветвей.

Контур - замкнутая электрическая цепь, при прохождении которой ветвь и узел встречаются только один раз. Существуют независимые и зависимые контуры. В независимом контуре есть хотя бы одна ветвь, не вошедшая в другие контуры.

В источниках питания при преобразовании неэлектри­ческих видов энергии в электрические виды возбуждается электродви­жущая сила (ЭДС) E, которая в замкнутой цепи вызывает электри­ческий ток.

На рисунке 1.1а, б показаны условные обозначения ЭДС в схемах.

 

а) б)

Рисунок 1.1

 

При преобразовании энергии в источниках питания происхо­дят потери, которые оцениваются внутренним сопротивлением r.

Силой тока называется скалярная величина, равная количеству электричества, которое переносится через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени:

,

 

где - количество электричества; t - время.

 

Сила тока измеряется в амперах (А). Направлением электрического тока принято считать направление движение положительных зарядов. В схемах направление тока указывается стрелкой (рисунок 1.2).

 

 

Рисунок 1.2

Потенциалом j поля в данной точке называется величина, численно равная работе А по перемещению единичного по­ложительного заряда q из бесконечности в эту точку:

Напряжением U на участке цепи (рисунок 1.2) называется величина, численно равная полной работе A₁₂, которая совершается при перемещении вдоль участка цепи единич­ного положительного заряда:

 

Напряжение на концах участка цепи равно разности потенци­алов

в точках " 1 " и " 2 ":

 

Напряжение измеряется в вольтах (В).

Электрическим сопротивлением R (сопротивлением) цепи на­зывается величина, препятствующая прохождению электрического тока.

Резистором называется электротехническое устройство, об­ладающее электрическим сопротивлением.

Величина, обратная электрическому сопротивлению, называ­ется электрической проводимостью G (проводимостью):

 

 

Проводимость измеряется в сименсах (См).

Сопротивления могут быть соединены последовательно или параллельно.

При последовательном соединении по всем приемникам (R₁,R₂,R₃) протекает один и тот же ток(рисунок 1.3).

 

 

Рисунок 1.3

 

Очевидно, напряжение на зажимах цепи U равно сумме напря­жений на сопротивлениях:

 

U = U_{R 1} + U_{R 2} + U_{R 3}

 

Разделив почленно на ток данное выражение для U, полу­чим:

 

или R _ЭКВ = R ₁ + R ₂ + R ₃

 

Сопротивление R _ЭКВ называется эквивалентным сопротивлением цепи. Эквивалентное сопротивление цепи – это такое сопротивление, заменяя ко­торым все сопротивления цепи при том же напряжении, получим ту же силу тока в цепи.

Таким образом, общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных сопротивлений, равно сумме всех сопротивлений этой цепи:

При параллельном соединении один зажим каждого сопротив­ления присоединяется к одному узлу, а другой зажим каждого сопротивления - к другому узлу (рисунок 1.4).

 

 

Рисунок 1.4

 

При параллельном соединениико всем элементам приложено одно и тоже напряжение:

U _аб = U _{R 1} = U _{R 2} = U _{R 3} = U

 

Согласно первому закону Кирхгофа:

I = I ₁ + I ₂ + I ₃

 

или

 

тогда

 

или G_ЭКВ = G ₁ + G ₂ + G ₃,

 

где R_экв - эквивалентное сопротивление; G_ЭКВ - эквивалентная проводимость.

 

Таким образом, при параллельном соединении сопротивлений общая проводимость цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

 

или

Электрическая мощность P равна отношению работы по пере­мещению положительного заряда к интервалу времени ее соверше­ния:

 

 

Электрическая мощность измеряется в ваттах (Вт). Электрическая мощность количественно равна произведению напряжения на ток:

 

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергети­ческий баланс:

 

При балансе мощностей алгебраическая сумма мощностей всех источников электри­ческой энергии равна арифметической сумме мощностей всех при­емников электрической энергии. Если через источник ЭДС течет ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС, то ис­точник ЭДС отдает энергию и его мощность входит в уравне­ние баланса мощностей со знаком "плюс". Если же направление тока и ЭДС не совпадают, то входит в уравнение баланса мощностей со знаком "минус".

 

Режимы работы электрических цепей

Электрические цепи могут работать в четырех режимах.

Номинальный режим - в источниках и приемниках электричес­кой цепи токи и напряжения, мощности соответствуют тем значе­ниям, на которые они рассчитаны заводом - изготовителем.

Эти величины I_н, U_н, P_н указываются в паспорте или на щитке устройства. При расчете электрических схем эти данные берутся за основу. I_н - определяет условия предельно допусти­мого нагрева приемников электрической цепи. U_н - определяет изоляцию токоведущих частей.

Режим холостого хода (х.х.) - режим, при котором ток от­дельных участков равен нулю.

Для практического осуществления х.х. достаточно отключить один из проводов, при помощи которых элемент присоединен к це­пи. В режиме х.х. I_хх = 0; U_хх = max; R_хх = ¥.

Режим короткого замыкания (к.з.) характеризуется тем, что напряжение на короткозамкнутом участке стремится к нулю, а ток возрастает до максимума. При коротком замыкании U_кз = 0, I_кз = max, R = 0.

Установившийся режим характеризуется постоянными значени­ями потенциалов, напряжений, токов.

При заземлении любой одной точки схемы токо­распределение в ней не меняется. Потенциал за­земленной точки принимают равным нулю.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: