1.1.Элементы электрических цепей постоянного тока
Электромагнитные устройства с происходящими в них физическими процессами можно заменить некоторым расчетным эквивалентом – электрической цепью (ЭЦ).
Электрической цепью называют совокупность источников электрической энергии, соединенных с нагрузками. Электромагнитные процессы в ЭЦ можно описать с помощью понятий: ток – I (А), напряжение – U (В), электродвижущая сила (ЭДС) – Е (В), электрический потенциал в точке а – φ a , сопротивление – R (Ом), проводимость – g (См), индуктивность – L (Гн), емкость – С (Ф).
Постоянный ток, не изменяющийся во времени ни по величине, ни по направлению, представляет собой упорядоченное «направленное» движение электрических зарядов. Носителями зарядов в металлах являются электроны, в полупроводниках – дырки и электроны, в жидкостях – ионы, в газовом разряде – электроны и ионы. Упорядоченное движение носителей зарядов в проводнике вызывается электрическим полем, создаваемым источниками электрической энергии.
Источник энергии характеризуется величиной и направлением ЭДС и величиной внутреннего сопротивления.
На рис. 1.1а)изображена схема неразветвленной электрической цепи.
|
|
|
Зависимость протекающего по сопротивлению R тока от напряжения на этом сопротивлении I=f(U), называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Сопротивления, ВАХ которых – прямые линии (рис.1.1.б.), называются линейными, а электрические цепи с такими сопротивлениями – линейными электрическими цепями. Сопротивления, ВАХ которых не являются прямыми линиями, называют нелинейными (рис. 1.1.в.), а электрические цепи с таким сопротивлениями − нелинейными. В неразветвленной цепи через каждый участок протекает один и тот же ток. В разветвленной цепи, представленной на рис.1.2., в каждой ветви протекает свой ток.
Ветвью называется участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами, заключенными между двумя узлами а и b (рис.1.2.). Узел – это точка цепи, в которой сходится не менее трех ветвей. Если в месте пересечения двух линий нет электрического соединения, то точка не ставится.
1.2. Закон Ома для участка цепи
Напряжение U ab на участке a-b ЭЦ (рис.1.3.) понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка. Ток I течет от точки «а» большего потенциала к точке «b» меньшего потенциала, т.е. на величину падения напряжения на сопротивлении R
|
|
На рис. 1.4. (а и б) показаны участки цепей с источником ЭДС, по которым протекает ток I . Найдем разность потенциалов (напряжение) между точками «а» и «с» . Согласно определению в обоих случаях имеем
На рис.1.4.а) перемещение от точки «с» к точке «b» является встречным направлению ЭДС Е , поэтому на величину Е
Потенциал в точке «b» на рис. 1.4.б)оказывается выше, чем в точке с на величину ЭДС Е
Поскольку ток течет от более высокого потенциала к более низкому, в обеих схемах а и b рис. 1.4. потенциал точки а выше потенциала точки b на величину падения напряжения на сопротивлении R
Таким образом, на рис. 1.4.а)
,
а на рис. 1.4.б).
, или .
Т.о., для участка цепи, содержащего источник ЭДС, можно найти ток этого участка по разности потенциалов .
Ток для схемы рис. 1.4.а) 
,
для схемы рис.1.4.б) 
.
Полученные уравнения выражают закон Ома для участков цепи, включающих источники ЭДС, направленные по току и против тока.
1.3. Источник ЭДС и источник тока
Источник энергии в схеме рис. 1.5.а), очерченный пунктирной линией, включает источник ЭДС Е и внутреннее сопротивление r вт .
Внешняя характеристика источника напряжения (или ВАХ) в общем случае определяется как ,
где U xx − напряжение при разомкнутой цепи нагрузки. Этому выражению соответствует прямая наклонная линия на рис. 1.5.а).
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим два крайних случая.
1) При и , получим , тогда ВАХ − прямая линия, источник ЭДС (рис. 1.6.б) представляет собой идеализированный источник питания, напряжение на зажимах которого не зависит от величины тока.
2) Если у источника питания повышается ЭДС и внутреннее сопротивление , , то , тогда . Ток источника тока , и ВАХ примет вид, показанный на рис.1.6.в).
Следовательно, источник тока представляет собой идеализированный источник питания, в котором ток не зависит от сопротивления нагрузки.
При построении эквивалентных схем замещения ветви, содержащие источники напряжения, замыкают накоротко (r вт =0), а ветви с источниками тока ликвидируют (т. к. ). Ток в нагрузке для схем рис. 1.6.б)и в) одинаков;
для источника ЭДС , для источника тока 
.
Осуществим переход от схемы с источником тока к схеме с источником ЭДС. Пусть в схеме б) =50 А, =2 Ом, в схеме а) ЭДС =100 В. Следовательно, параметры эквивалентной схемы рис.1.5.а) равны = 100 В, = 2 Ом.
Можно пользоваться любым эквивалентом, но в основном пользуются источником напряжения.
1.4. Методы расчета электрических цепей постоянного тока
1.4.1.Расчет по законам Кирхгофа
Все ЭЦ подчиняются первому и второму законам Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа
можно сформулировать двояко. Алгебраическая сумма токов, приходящих к любому узлу схемы, равна нулю. Сумма токов, приходящих к узлу, равна сумме токов, уходящих от узла.
Физически 1-й закон Кирхгофа означает, что при движении электронов по цепи ни в одном из узлов заряды не накапливаются.
Второй закон Кирхгофа так же можно сформулировать двояко. Алгебраическая сумма падений напряжений на резистивных элементах в любом замкнутом контуре равно алгебраической сумме ЭДС. .
В каждую из сумм составляющие слагаемые входят со знаком «+» , если они совпадают с направлением обхода контура, и со знаком «-» , если не совпадают.
Алгебраическая сумма напряжений участков вдоль любого замкнутого контура равна нулю ,
где m – число участков контура, так, для периферийного контура схемы рис.1.8. имеем .
Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменений токов и напряжений во времени.
При составлении уравнений для расчетов токов в ветвях схемы с помощью законов Кирхгофа учитываем, что в каждой ветви течет свой ток.
|
Обозначим число всех ветвей схемы через «б» , число ветвей, содержащих источники тока, через «б ист.т » , и число узлов – через «у». Так как токи в ветвях с источниками тока неизвестны, то число неизвестных токов запишем как «б» - «б ист.т » .
Перед тем как составить уравнения, необходимо а) произвольно выбрать положительные направления токов в ветвях и обозначить их на схеме; б) выбрать положительные направления контуров для составления уравнений по 2-ому закону Кирхгофа.
Желательно во всех контурах положительные направления обхода выбирать одинаковыми, например, по часовой стрелке, как показано на рис. 1.9.
Чтобы получить независимые уравнения, по 1-ому закону Кирхгофа составляют число уравнений, равное числу узлов без единицы, т.е. «у-1» . По 2-ому закону Кирхгофа составляют число уравнений, равное числу ветвей без источников тока б - б ист.т , за вычетом числа уравнений, составленных по 1- му закону Кирхгофа. В рассмотренном (б - б ист.т)-(у -1) = 3 – 2 + 1 = 2.
При записи линейно независимых уравнений по второму закону Кирхгофа стремятся, чтобы в каждый новый контур, для которого составляют уравнение, входила хотя бы одна новая ветвь, не вошедшая в контуры, для которых уже записаны уравнения. Такие контуры условно можно назвать независимыми.
По 1- ому закону Кирхгофа составляем одно уравнение .
По 2-ому закону Кирхгофа надо составить два уравнения. Положительные направления обхода контуров выбираем по часовой стрелке.
Для контура , знак «+» взят перед , потому что направление тока совпадает с направлением обхода контура; знак «-» перед показывает, что направление встречно обходу контура.
Для контура .
Используя законы Кирхгофа, можно для любой разветвленной электрической цепи составить необходимое число уравнений, путем совместного решения которых можно найти все определяемые величины (например, токи), а также установить зависимости между ними.
1.4.2. Преобразование ЭЦ с различным соединением сопротивлений
1. Последовательным соединением сопротивлений называется такое, когда конец первого сопротивления соединяется с началом второго, конец второго сопротивления с началом третьего и т.д. Начало первого сопротивления и конец последнего подключаются к источнику питания или к каким-либо точкам ЭЦ (рис. 1. 9.). Во всех сопротивлениях протекает один и
|
|
Ток в цепи, напряжения на сопротивлениях и потребляемые ими мощности определяются следующими соотношениями.
1. Эквивалентное сопротивление электрической цепи 
.
2. Ток в сопротивлениях цепи 
.
3. Напряжение и мощность, подводимые к электрической цепи с последовательным соединением сопротивлений равны, соответственно, сумме напряжений и мощностей ,
4. Напряжение и мощности распределяются пропорционально сопротивлениям 
.
2. При параллельном соединении сопротивлений соединяются между собой как начало всех сопротивлений, так и их концы (рис. 1.10.).
Характерным для параллельного соединения является одно и то же напряжение на зажимах всех сопротивлений. Параллельно соединяются обычно различные приемники электрической энергии, рассчитанные на одно и то же напряжение. При параллельном соединении не требуется согласовывать номинальные данные приемников, возможно включение и отключение любых приемников независимо от остальных, а при выходе из строя любого из них остальные остаются включенными.
|
|
|
Параллельное соединение можно применить, если требуется уменьшить сопротивления какого-либо участка электрической цепи, как показано на рис. 1.10.б).
Токи и мощности параллельно соединенных ветвей рис.1.10.а) при не зависят друг от друга.
1. Общий ток равен сумме токов параллельно соединенных ветвей
где: 
− эквивалентная проводимость, равная
− эквивалентное сопротивление, 
.
2. Токи и мощности в ветвях в ветвях вычисляются по формулам 
; 
; 
; 
.
3. Отношение токов и мощностей равно отношению проводимостей и обратно пропорционально отношению сопротивлений
.
При увеличении параллельно соединенных сопротивлений эквивалентная проводимость ЭЦ увеличивается, а эквивалентное сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока. Если напряжение остается const , то увеличивается также общая мощность.
3. Смешанным или последовательно-параллельным называется такое соединение сопротивлений, при котором на одних участках ЭЦ сопротивления соединены параллельно, а на других последовательно.
Анализ и расчет ЭЦ со смешанным соединением сопротивлений производится методом преобразований. Электрическая цепь (рис. 1.11.а) заменяется последовательно эквивалентными цепями до образования схемы, изображенной на рис. 1.11.б).
|
|
|
В соединении «треугольником» конец одного из сопротивлений соединяется с началом следующего и т.д., а узлы a,b,c подключаются к остальной части ЭЦ. В соединении «звездой» все концы соединяются вместе, а начала фаз подключаются к схеме. Если заменить сопротивление , , , соединенные в треугольник, эквивалентными сопротивлениями, соединенными звездой, то получим цепи со смешанным соединением сопротивлений.
Преобразование «звезды» в «треугольник»
|
|
|
После замены токи и направления должны остаться без изменений.
Для «треугольника» ;
Для соединения звездой
По условию эквивалентности эквивалентные сопротивление обеих схем равны 
, следовательно, можно записать
1) 
;
Структуры соединением «треугольник» и «звезда» по отношению к узлам симметричны, поэтому циклично запишем
2) 
;
3) 
.
Сложим 1) и 3), вычтем 2), всё поделим на 2, получим
, 
, 
.
Если в «треугольнике» равны, то и в «звезде» равны: .
Возможно обратное преобразование звезды из резистивных элементов в эквивалентный треугольник. Для этого надо попарно перемножить 1) и 3) и сложить, затем вынести общий множитель и полученное уравнение разделить на 3)уравнение, т.е. . Далее поочередно поделить то же уравнение на и .
Путем циклической подстановки индексов при преобразовании звезды в треугольник получим
, 
, 
.
На рис. 1.13. поясняется упрощение схемы путем последовательной замены эквивалентными цепями при преобразовании «треугольника» в «звезду».
|
Для первого контура , или
Для второго контура , или
В уравнении для 1-го контура множитель при токе , являющийся суммой сопротивлений первого контура, обозначим через . Множитель при токе , взятый со знаком «-» , обозначим через . Уравнения для 1-го и 2-го контуров примут вид , , здесь
; 
; 
где − полное или собственное сопротивление первого и второго контуров, соответственно.
− взаимное сопротивление смежной ветви между первым и вторым контурами, взятые со знаком «-» .
− контурные ЭДС первого и второго контуров, равные алгебраической сумме ЭДС, входящих в эти контуры.
Со знаком «+» входят ЭДС, направление которых совпадает с направлением обхода контура.
Отметим, что члены, содержащие полные контурные сопротивления, положительны, а взаимные – отрицательны.
Если в схеме будет три контура, то система уравнений примет вид
Или в матричной форме
, , .
Если в электрической цепи имеется «n» независимых контуров, то количество уравнений тоже равно n . Решение удобно проверить методами Крамера и Гаусса.
Общее решение системы n уравнений относительного тока
где и − определители системы.
По найденным токам ищем действительные токи ; ; ; ; , находим из 1-го закона Кирхгофа.
1.4.4. Метод узловых потенциалов.
б)
|
, 
;
или через проводимости
для 2-го узла
, 
,
1) Узловая проводимость узла − это сумма проводимости ветвей, сходящихся в данном узле.
; 
; 
.
2) Взаимная проводимость двух любых узлов − сумма проводимости ветвей, включённых между этими узлами.
3) Узловой ток − сумма произведений ЭДС на проводимости () ветвей, сходящихся в данном узле. Если ЭДС направлена к узлу, то берем ее как «+»; от узла «−».
; ; 
.
4) В системе уравнений все члены, содержащие узловые проводимости берутся со знаком «+», а содержащие взаимные проводимости − со знаком «-».
Решив систему уравнений, найдем потенциалы всех узлов. По этим потенциалам определяем токи ветви 
,
если ток получился со знаком «-», значит в действительности он направлен в противоположную сторону.
; 
; 
; ; .
Ветвь и узел электрической цепи
Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и способом их соединения. Соединение элементов электрической цепи наглядно отображается ее схемой. В зависимости от особенностей схемы следует применять тот или иной способ расчета электрической цепи. В данном разделе рассмотрим ключевые понятия, которые в дальнейшем будут необходимы для выбора наиболее оптимального и правильного приема решения задач.
Ветвью называется участок электрической цепи, обтекаемый одним и тем же током. Ветвь образуется одним или несколькими последовательно соединенными элементами цепи.
Узел - место соединения трех и более ветвей.
В качестве примера на рисунке изображены схемы двух электрических цепей. Первая из них содержит 6 ветвей и 4 узла. Вторая состоит из 5 ветвей и 3 узлов. В этой схеме обратите внимание на нижний узел. Очень часто допускают ошибку, считая что там 2 узла электрической цепи, мотивируя это наличием на схеме цепи в нижней части 2-х точек соединения проводников. Однако на практике следует считать две и более точки, соединенных между собой проводником, как один узел электрической цепи.
При обходе по соединенным в ветвях цепям можно получить замкнутый контур электрической цепи. Каждый контур представляет собой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, при этом каждый узел встречается в данном контуре не более одного раза. Ниже приведена электрическая схема, на которой отмечено несколько произвольно выбранных контуров.
Всего для данной цепи можно выделить 6 замкнутых контуров.
Закон Ома
Данный закон очень удобно применять для ветви электрической цепи. Позволяет определить ток ветви при известном напряжении между узлами, к которым данная ветвь подключена. Также позволяет буквально в одно действие рассчитать одноконтурную электрическую цепь.
При применении закона Ома предварительно следует выбрать направление тока в ветви. Выбор направления можно осуществить произвольно. Если при расчете будет получено отрицательное значение, то это значит, что реальное направление тока противоположно выбранному.
Для ветви, состоящей только из резисторов и подключенной к узлам электрической цепиa
и b
(см. рис.) закон Ома имеет вид:
Соотношение (1.15) написано в предположении, что выбрано направление тока в ветви от узла a
к узлу b
. Если мы выберем обратное направление, то числитель будет иметь вид: (U b -U a). Теперь становится понятно, что если в соотношении (1.15) возникнет ситуация, когда U b >U a то получим отрицательное значение тока ветви. Как уже упоминалось выше, это значит, что реальное направление тока противоположно выбранному. Примером практического применения данного частного случая закона Ома при расчетах электрических цепей является соотношение (1.18) для электрической цепи, изображенной на рисунке.
Для ветви содержащей резисторы и источники электрической энергии закон Ома принимает следующий вид:
Соотношение (1.16) написано в предположении, что предварительно выбрано напавление тока от узла a
к узлу b
. При расчете алгебраической суммы ЭДС ветви следует знак "+" присваивать тем ЭДС, чье направление совпадает с направлением выбранного тока ветви (направление ЭДС определяется направлением стрелки в обозначении источника электрической энергии). Если направления не совпадают, то ЭДС берется со знаком "-". На рисунке есть примеры применения данного варианта закона Ома - соотношения (1.17) и (1.19)
Линейные и нелинейные электрические цепи
Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы(подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и катушки индуктивности. Если цепь содержит отличные от перечисленных компоненты, то она называется нелинейной.
Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой. Функция зависимости тока, протекающего по двухполюсному компоненту, от напряжения на этом компоненте называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Часто ВАХ изображают графически в декартовых координатах. При этом по оси абсцисс на графике обычно откладывают напряжение, а по оси ординат - ток.
В частности, омические резисторы, ВАХ которых описывается линейной функцией и на графике ВАХ являются прямыми линиями, называют линейными.
Примерами линейных (как правило, в очень хорошем приближении) цепей являются цепи, содержащие толькорезисторы, конденсаторы и катушки индуктивности без ферромагнитных сердечников.
Некоторые нелинейные цепи можно приближенно описывать как линейные, если изменение приращений токов или напряжений на компоненте мало, при этом нелинейная ВАХ такого компонента заменяется линейной (касательной к ВАХ в рабочей точке). Этот подход называют «линеаризацией». При этом к цепи может быть применён мощный математический аппарат анализа линейных цепей. Примерами таких нелинейных цепей, анализируемых как линейные относятся практически любые электронные устройства, работающие в линейном режиме и содержащие нелинейные активные и пассивные компоненты (усилители, генераторы и др.).
электрическая цепь – это отдельно взятая группа электроприборов (утюги, блоки телевизоры, холодильники и т. д.) совместно с розетками, выключателями, проводами, автоматами и электрической подстанцией (как же без нее получить ток) на данный момент работающих совместно для достижения определенной цели. Ну а вот в зависимости от цели (просмотра любимой передачи, сохранения свежести продуктов или обеспечения стабильности питающих параметров в блоке питания компьютера) электрические цепи подразделяются на простые и сложные, неразветвленные и разветвленные, линейные и нелинейные.
То есть электрическую цепь можно рассматривать как совокупность отдельных электрических устройств, так и совокупность дискретных простейших деталей и связей между ними образующих один из функциональных блоков в электрической схеме какого-то устройства.
Неразветвленные электрические цепи – они же простые – это цепи в которых ток течет не меняя свое значение и по простейшему пути от источника энергии до потребителя. То есть через все элементы этой цепи течет один и тот же ток. Простейшей неразветвленной цепью можно считать цепь освещения одной из комнат в квартире, где используется однорожковая люстра. В данном случае ток течет от источника энергии через автомат, выключатель, лампочку и обратно к источнику энергии.
Разветвленные – это цепи имеющие одно или более ответвленных путей протекания тока. То есть ток начиная свой путь от источника энергии разветвляется на несколько ветвей потребителей, при этом меняя свое значение. Одним из несложных примеров такой цепи является приведенная выше цепь освещения комнаты в квартире, но только с многорожковой люстрой и многоклавишным выключателем. Ток от источника энергии доходит через автомат к многоклавишному выключателю, а дальше разветвляется на несколько ламп люстры, а далее через общий провод обратно к источнику энергии.
Линейной считается такая электрическая цепь, где характеристики всех ее элементов не зависят от величины и характера протекающего тока и приложенного напряжения.
Нелинейной считается цепь содержащая хотя бы один элемент, характеристики которого зависят от протекающего тока и приложенного напряжения.
2. Эквивалентные преобразования в электрических цепях. Определение эквивалентного сопротивления при последовательном, параллельном и смешанном соединении элементов электрических цепей.
При решении задач принято преобразовывать схему, так, чтобы она была как можно проще. Для этого применяют эквивалентные преобразования. Эквивалентными называют такие преобразования части схемы электрической цепи, при которых токи и напряжения в не преобразованной её части остаются неизменными.
Существует четыре основных вида соединения проводников: последовательное, параллельное, смешанное и мостовое.
Последовательное соединение – это такое соединение, при котором сила тока на всем участке цепи одинакова. Ярким примером последовательного соединения является старая елочная гирлянда. Там лампочки подключены последовательно, друг за другом. Теперь представьте, одна лампочка перегорает, цепь нарушена и остальные лампочки гаснут. Выход из строя одного элемента, ведет за собой отключение всех остальных, это является существенным недостатком последовательного соединения.
При последовательном соединении сопротивления элементов суммируются. 
Параллельное соединение – это соединение, при котором напряжение на концах участка цепи одинаково. Параллельное соединение наиболее распространено, в основном потому, что все элементы находятся под одним напряжением, сила тока распределена по-разному и при выходе одного из элементов все остальные продолжают свою работу.
При параллельном соединении эквивалентное сопротивление находится как:
В случае двух параллельно соединенных резисторов
В случае трех параллельно подключенных резисторов:
Смешанное соединение – соединение, которое является совокупностью последовательных и параллельных соединений. Для нахождения эквивалентного сопротивления нужно, “свернуть” схему поочередным преобразованием параллельных и последовательных участков цепи.
Сначала найдем эквивалентное сопротивление для параллельного участка цепи, а затем прибавим к нему оставшееся сопротивление R 3 . Следует понимать, что после преобразования эквивалентное сопротивление R 1 R 2 и резистор R 3 , соединены последовательно.
Итак, остается самое интересное и самое сложное соединение проводников.
Мостовая схема соединения представлена на рисунке ниже.
Для того чтобы свернуть мостовую схему, один из треугольников моста, заменяют эквивалентной звездой.
И находят сопротивления R 1 , R 2 и R 3 .
Затем находят общее эквивалентное сопротивление, учитывая, что резисторы R 3 ,R 4 и R 5 ,R 2 соединены между друг другом последовательно, а в парах параллельно.
Постоянным называется неизменный по направлению электрический ток. Электрическая цепь с таким током называется цепью постоянного тока.
Основными величинами, характеризующими процессы, протекающие в электрических цепях постоянного тока, являются: ЭДС источника E(B), напряжение U(B), потенциал Ψ(B), сила тока I(A), мощность P(Вт).
Основными параметрами цепей и их элементов являются:
сопротивление R(Ом), проводимость G(См).
Графической характеристикой цепи является потенциальная диаграмма, показывающая изменение потенциала от сопротивления по контуру.
Законы электрической цепи
Наиболее важными законами, которым подчиняются процессы, происходящие в электрических цепях, являются закон Ома, два закона Кирхгофа, закон баланса мощностей.
Закон Ома применяется для отдельного участка электрической цепи. Он формулируется так: на участке цепи ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению этого участка.
Из (3.1) получается: U= IR, а также R=U / I
Однако, из последней формулы не следует, что сопротивление R зависит от напряжения U или от тока I.
Первый закон Кирхгофа применяется для определения соотношения между токами в разветвленных цепях. Он формулируется так: алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в электрическом узле, равна нулю.
При этом токи, входящие в узел, берутся со знаком “+”, а токи выходящие из узла- со знаком “-”.
Пример. Составить уравнение по I закону Кирхгофа для узла 1.
I 1 + I 2 – I 3 -I 4 = 0
Второй закон Кирхгофа применяется для замкнутого контура. Он гласит:
В любом замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС источников равна алгебраической сумме падений напряжений на всех сопротивлениях контура.
Σ Ei = Σ Uj (3.3)
Для записи уравнения по II закону Кирхгофа необходимо вначале выбрать направление обхода контура. При записи уравнения ЭДС берется со знаком “+”, если направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура, напряжение берется со знаком “+”, если ток в данном сопротивлении совпадает с направлением обхода контура. В противном случае ЭДС и напряжение берутся со знаком “-”.
Пример. Составить уравнение по II закону Кирхгофа для контура II.
Выбираем направление обхода по часовой стрелке (показано стрелкой).
E 2 -E 3 =U 2 -U 3 -U 4 ;
Учитывая закон Ома, запишем так: E 2 -E 3 =I 2 R 2 -I 3 R 3 -I 3 R 4 .
Закон баланса мощностей гласит: в любой момент времени в электри- ческой цепи выполняется баланс мощностей, т. е. алгебраическая сумма мощностей всех источников электроэнергии равна алгебраической сумме мощностей всех приемников цепи.
Σ Р И i =Σ Р П j (3.4)
Пример для рис. 3.5: E 1 I 1 – E 2 I 2 + E 3 I 3 = U 1 I 1 + U 2 I 2 + U 3 I 3 + U 4 I 3
Режимы работы электрических цепей.
Электрическая цепь может работать в одном из четырех режимов:
– номинальном;
– холостого хода (ХХ);
– короткого замыкания (КЗ);
– согласованном.
Рассмотрим неразветвленную электрическую цепь постоянного тока, состоящую из источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением R ВН, двухпроводной линии сопротивлением R Л и сопротивления нагрузки R Н, величина которого может изменяться (рис. 3.6).
Номинальный – это режим, при котором все элементы электрической цепи могут работать достаточно долгое время, с заданной надежностью. Этот режим характеризуется номинальным напряжением U НОМ, током I НОМ, мощностью Р НОМ и к.п.д. 
которые указываются в паспорте, при этом получим:
Е=I НОМ R ВН +I НОМ R Л +I НОМ R Н; (3.5)
U НОМ =E-I НОМ R ВН (3.6)
Холостой ход – это режим, при котором электрическая цепь разорвана и ток отсутствует, I ХХ =0. В этом режиме можно считать, что R Н → ∞ и U ХХ =Е.
В этом режиме цепь может работать длительное время, без ограничений.
Режим К3 возникает, когда сопротивление приемника (нагрузки) уменьшается до нуля, т.е. R н ≈0.
При этом напряжение на нагрузке равно нулю U=0, а ток нагрузки во много раз превышает номинальный ток.
I КЗ =Е / (R ВН +R Л) (3.7)
Если R Л ≈0, то I КЗ =Е / R ВН, достигая очень больших значений. Поэтому режим К.3.является аварийным режимом.
Cогласованным называется режим электрической цепи, при котором мощность, отдаваемая источником во внешнюю цепь, имеет наибольшее значение.
Такой режим возникает при определенных соотношениях между сопротивлениями R ВН, R Н и R Л. Условие возникновения согласованного режима определяется уравнением
R Н = R ВН + R Л (3.8)
В согласованном режиме к.п.д. составляет 0,5, поэтому этот режим для мощных электроустановок практически не используется. В этом режиме работают лишь некоторые маломощные устройства радио, автоматики и другие.
Источники ЭДС и тока
Источником электроэнергии называется устройство, преобразующее энергию неэлектрической природы в электрическую энергию.
Источники электроэнергии постоянного тока в зависимости от их харак- теристик можно разделить на две группы: источники ЭДС и источники тока.
Источники ЭДС обладает малым внутренним сопротивлением R ВН и на схемах обозначается следующим образом:
Здесь R Н – сопротивление нагрузки, подключенное к клеммам а и б источника ЭДС.
Особенностью источника ЭДС является то, что напряжение на его клеммах при изменении сопротивления нагрузки R Н изменяется не значительно. При этом изменяется ток нагрузки I Н (когда R Н уменьшается, I Н увеличивается и наоборот). Напряжение источника ЭДС определяется выражением:
U=E – I Н R ВН (3.9)
Источник тока обладает малой внутренней проводимостью G ВН и на схеме обозначается так:
При изменении сопротивления нагрузки R Н, подключенной к источнику тока, ток нагрузки I Н изменяется незначительно, При этом изменяется напряжение U на клеммах а и б источника тока (когда R Н увеличивается, напряжение U так же увеличивается) .
Величина тока нагрузки источника тока определяется по формуле
I Н =I К -UG ВН (3.10)
где I К – ток, создаваемый источником тока.
К источникам ЭДС можно отнести электромеханические генераторы, гальванические элементы и аккумуляторы.
К источникам тока можно отнести зарядные устройства, специальные источники электропитания, применяемые в ЭВМ и т.д. .
В зависимости от вида первичной (неэлектрической) энергии источники постоянного тока делятся на: химические, электромашинные, термоэлектрические, фотоэлектрические, ядерные, магнитогидродинамичес- кие(МГД) и т.д.
Химические источники постоянного тока
К химические источники постоянного тока относятся:
– гальванические элементы;
– топливные элементы;
– аккумуляторы.
Гальванические элементы (батарейки) широко распространены.
В гальваническом элементе происходит преобразование химической энергии окислительно-восстановительных реакций в электрическую энергию. Особенностью гальванического элемента является невозможность восстановления его активных материалов после разряда, поэтому они относятся к необратимым элементам. На практике применяются медно-цинковые, медно-магнитные, серебряно-магнитные, окисно-ртутные, угольно-цинковые.
Топливные элементы применяются на космических летательных аппаратах.
В топливных элементах к электродам подводятся топливо и окислитель по мере расходования их в элементе. Материал электрода в этом случае непосредственно в реакциях не участвует и является лишь катализатором.
Аккумуляторы являются в настоящее время наиболее распространенными источниками постоянного тока (свинцовые, серебряно-цинковые и никель-кадмиевые, литионные, и т. д.).
Рассмотрим устройство и принцип действия свинцового аккумулятора.
Основными элементами аккумулятора являются два электрода, помещенные в электролит.
В качестве положительного электрода используется двуокиси свинца РbO 2 , а в качестве отрицательного – губчатый (пористый) свинец Pb.
Электролит – это раствор серной кислоты H 2 SO 4 .
При подключении к электродам аккумулятора сопротивления (нагрузки) электрическая цепь становится замкнутой и через нагрузку течет ток разряда.
При этом в результате химической реакции положительные ионы свинца Pb ++ c отрицательного электрода вступают в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка SO 4 – – , в результате чего на отрицательном электроде остаются отрицательные заряды и образуется сульфат свинца PbSO 4 , который оседает на электроде.
На положительном электроде в результате химических реакций образуется также пленка сульфата свинца PdSO 4 , выделяются положительные заряды, кроме того, в электролите образуются дополнительные молекулы воды Н 2 О.
Таким образом, при разряде на обоих электродах образуется пленка сульфата свинца, уменьшается количество молекул воды, Плотность электролита уменьшается.
При подключении к электродам аккумулятора внешнего источника постоянного тока начинается процесс заряда.
При этом в результате химических реакций пленка сульфата свинца на обоих электродах разлагается. На отрицательном электроде восстанавливается свинец Pb, на положительном – двуокись свинца PbO 2 . В электролите уменьшается количество молекул воды Н 2 О и увеличивается количество молекул серной кислоты H 2 SO 4 .Плотность электролита увеличивается. Химическое уравнение для обоих процессов имеет следующий общий вид
Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 ← → 2PbSO 4 +2H 2 O
Конструктивно аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов, соединенных последовательно и расположенных в эбонитовом моноблоке. Каждый аккумулятор содержит отрицательные и положительные пластины. Пластины одной полярности соединены между собой и образуют полублок. Между положительными и отрицательными пластинами для предотвращения короткого замыкания вставляются изолирующие пластины (сепараторы) из эбонита.
Другие часто применяемые источники постоянного тока электромашинные – генераторы будут рассмотрены дальше в соответствующей теме.
Цель : Экспериментальное исследование сложных электрических цепей постоянного тока методом компьютерного моделирования. Проверка опытным путем метода расчета сложных цепей постоянного тока с помощью первого и второго законов Кирхгофа. электрический сложный цепь кирхгоф
Электрической цепью называют совокупность источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводами, предназначенную для передачи и преобразования электрической энергии. Источники электрической энергии характеризуются величиной ЭДС E , измеряемой в вольтах (В), и внутренним сопротивлением r , измеряемым в омах (Ом).
Приемниками электрической энергии в электрических цепях могут быть катушка индуктивности, конденсатор, аккумуляторная батарея в режиме зарядки, электрическая машина в режиме двигателя, лампа накаливания, электрическая печь и другие электрические компоненты. В них происходит необратимое (электрические печи) или обратимое (конденсатор, катушка индуктивности и аккумуляторная батарея) преобразование электрической энергии в другие ее виды. В цепях постоянного тока мы будем далее рассматривать только так называемые диссипативные элементы, которые не могут накапливать электрическую или магнитную энергию. Полученная ими электрическая энергия необратимо преобразуется в другие виды энергии, например в тепло. Все эти приемники - лампы накаливания, электрические печи и другие пассивные приемники мы будем представлять в виде резисторов, которые характеризуются основным параметром - электрическим сопротивлением R , равным отношению постоянного напряжения U между выводами резистора к постоянному току I , протекающему в нем, т. е.: R=U/I . Величина электрического сопротивления R , измеряется в омах (Ом).
Для расчета простых электрических цепей используют закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС. Например, если между двумя точками а и b в электрической цепи включены только пассивные элементы - резисторы, то закон Ома для этого участка цепи запишется:
Если же участок цепи a-b содержит источник ЭДС E ab , то ток, протекающий по этому участку, будет определяться формулой:
Здесь - ток, протекающий по участку ab ,
Напряжение на участке ab , т.е. напряжение между точками a и b ;
Суммарное сопротивление всех пассивных элементов, включенных на участке ab цепи между точками a и b ;
ЭДС, действующая на участке ab . Эта ЭДС входит в выражение со знаком плюс, если ее направление совпадает с направлением тока, и со знаком минус, если ее направление противоположно направлению тока.
При последовательном соединении резисторов R 1 и R 2 их сопротивления складываются, т.е. эквивалентное сопротивление в этом случае будет равно:
При параллельном соединении тех же двух резисторов их эквивалентное сопротивление находится по формуле:
Сложной электрической цепью называют такую цепь, которая не может быть сведена только к последовательному или параллельному соединению источников и приемников электрической энергии (рис. 1.1).
Линейной электрической цепью называют электрическую цепь, содержащую приемники и источники электрической энергии, параметры которых (сопротивления и проводимости) остаются постоянными и не зависят от величины и направления протекающего через них тока. Зависимость тока от приложенного напряжения в таких приемниках (резисторах) изображается прямой линией, а сами резисторы называются линейными резисторами.
Сложные электрические цепи имеют несколько узлов и ветвей, а также могут иметь и несколько источников питания. Ветвью электрической цепи называют участок схемы, состоящий из нескольких последовательно соединенных элементов, по которым протекает один и тот же ток. Узлом электрической цепи называют точку соединения, к которой подходит не менее трех ветвей.
Расчет сложной линейной электрической цепи заключается в определении токов во всех ветвях и сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа для данной электрической цепи.
Решение системы алгебраических уравнений представляет собой достаточно трудоемкую работу, объем которой возрастает с увеличением числа неизвестных при увеличении сложности электрической цепи.
В целях сокращения числа уравнений, решение которых даст искомые величины и определит режим электрической цепи, разработаны различные методы расчета линейных электрических цепей: например, метод контурных токов, где уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа, или метод узловых потенциалов, когда уравнения составляются только по первому закону Кирхгофа.
В данной лабораторной работе экспериментально исследуется метод расчета электрических цепей с помощью составления и решения уравнений по первому и второму законам Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа формулируется следующим образом: сумма притекающих к узлу токов равна сумме вытекающих из узла токов или алгебраическая сумма токов в узле равна нулю, т. е.
Например, для узла b (см. рис. 1.1):
Второй закон Кирхгофа гласит: в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения на всех сопротивлениях этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре, т. е.
Например, для контура abda :
R 1 ·I 1 +R 3 ·I 3 =E 1. (1.6)
Для контура cbdc :
R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2. (1.7)
Запишем уравнения (1.6) - (1.7) в канонической форме. Для этого расположим неизвестные в уравнениях в порядке их нумерации и заменим отсутствующие члены членами с нулевыми коэффициентами:
I 1 +I 2 -I 3 = 0
R 1 ·I 1 + 0·I 2 +R 3 ·I 3 = E 1
0·I 1 +R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2 ,
или в матричной форме:
После подстановки численных значений ЭДС и сопротивлений полученная система уравнений решается известными из математик и методами, например методом Крамера или методом Гаусса. Можно решить эту систему и в интегрированном пакете MATHCAD.
В любой электрической цепи выполняется закон сохранения энергии, т. е. мощность, развиваемая источниками электрической энергии равна сумме мощностей, потребляемых приемниками электрической энергии. Этот баланс мощностей записывается следующим образом:
Выполнение работы (вариант 1)
1) «Собрала» на экране монитора электрическую схему (рис. 1.1), параметры элементов которой должны быть установлены на компьютере в соответствии с вариантом (табл. 1.1).
Таблица 1.1
3. Составила систему уравнений по законам Кирхгофа для исследуемой цепи, подставив в эти уравнения вместо сопротивлений и ЭДС их величины.
I 1 -I 2 +I 3 = 0,
R 1 ·I 1 + R 2 ·I 2 +0·I 3 = E 1 ,
- 0·I 1 +R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2.
- 4. Решила полученную систему методом обратной матрицы в программе Excel (Рис.1. Решение системы уравнений методом обратной матрицы) и результаты расчета занесла в табл. по форме 1.1. Сравнить расчетные токи с измеренными ранее в лабораторной работе.
Рис. 1
5. Проверила баланс мощностей по равенству:
В ходе работы я провела экспериментальное исследование сложных электрических цепей постоянного тока методом компьютерного моделирования. Сравнив результаты данного своего эксперимента, я убедилась, что результаты совпали. Значит, метод расчета сложных цепей постоянного тока с помощью двух законов Кирхгофа доказан опытным путем.
Если зависимость U (I ) или I (U линейна и его сопротивление R постоянно ( R =с onst ) , то такой элемент называют линейным (ЛЭ) , а электрическую цепь, состоящую только из линейных элементов − линейной электрической цепью .
ВАХ линейного элемента симметрична и представляет собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 16, кривая 1). Таким образом, в линейных электрических цепях выполняется закон Ома.
Если зависимость U (I ) или I (U ) какого-либо элемента электрической цепи не линейна, а его сопротивление зависит от тока в нем или напряжения на его выводах ( R ≠с onst ) , то такой элемент называют не линейным (НЭ) , а электрическую цепь при наличии хотя бы одного нелинейного элемента − нелинейной электрической цепью .
ВАХ нелинейных элементов непрямолинейны , и иногда могут быть несимметричны, например, у полупроводниковых приборов (рис. 16, кривые 2, 3, 4). Таким образом, в нелинейных электрических цепях зависимость между током и напряжением не подчиняется закону Ома.
Рис. 16. ВАХ линейного и нелинейных элементов:
кривая 1 – ВАХ ЛЭ (резистора); кривая 2 – ВАХ НЭ (лампы накаливания с металлической нитью); кривая 3 – ВАХ НЭ (лампы накаливания с угольной нитью;
кривая 4 – ВАХ НЭ (полупроводникового диода)
Примером линейного элемента является резистор.
Примерами нелинейных элементов служат: лампы накаливания, терморезисторы, полупроводниковые диоды, транзисторы, газоразрядные лампы и т.д. Условное обозначение НЭ приведено на рис. 17.
Например, с увеличением тока, протекающего по металлической нити накаливания электрической лампы, увеличивается ее нагрев, а следовательно, возрастает ее сопротивление. Таким образом, сопротивление лампы накаливания непостоянно.
Рассмотрим следующий пример. Приведены таблицы со значениями сопротивлений элементов при различных значениях тока и напряжения. Какая из таблиц соответствует линейному, какая нелинейному элементу?
Таблица 3
|
R , Ом |
Таблица 4
|
R , Ом |
Ответьте на вопрос, на каком из графиков изображен закон Ома? Какому элементу соответствует этот график?
1 2 3 4
А что можно сказать о графиках 1,2 и 4? Какие элементы характеризуют эти графики?
Нелинейный элемент в любой точке ВАХ характеризуется статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения к току, соответствующих этой точке (рис. 18). Например, для точки а :
.
Кроме статического сопротивления нелинейный элемент характеризуется дифференциальным сопротивлением, под которым понимается отношение бесконечно малого или весьма малого приращения напряжения ∆U к соответствующему приращению ∆I (рис. 18). Например, для точки а ВАХ можно записать
где β – угол наклона касательной, проведенной через точку а .
Данные формулы составляют основу аналитического метода расчета простейших нелинейных цепей.
Рассмотрим примеры. Если статическое сопротивление нелинейного элемента при напряжении U 1 =20 В равно 5 Ом, то сила тока I 1 составит…
Статическое сопротивление нелинейного элемента при токе 2 А составит…
Вывод по третьему вопросу: различают линейные и нелинейные элементы электрической цепи. В нелинейных элементах не выполняется закон Ома. Нелинейные элементы характеризуются в каждой точке ВАХ статическим и дифференцированным сопротивлением. К нелинейным элементам относятся все полупроводниковые приборы, газоразрядные лампы и лампы накаливания.
Вопрос № 4. Графический метод расчета нелинейных
электрических цепей (15 мин.)
Для расчета нелинейных электрических цепей применяются графический и аналитический методы расчета. Графический метод более простой и его мы и рассмотрим более подробно.
Пусть источник ЭДС Е с внутренним сопротивлением r 0 питает два последовательно соединенных нелинейных элемента или сопротивления НС1 и НС2 . Известны Е , r 0 , ВАХ 1 НС1 и ВАХ 2 НС2. Требуется определить ток в цепи I н
Сначала строим ВАХ линейного элемента r 0 . Это прямая, проходящая через начало координат. Напряжение U, падающее на сопротивления контура, определяется выражением
Чтобы построить зависимость U = f ( I ) , необходимо сложить графически ВАХ 0, 1 и 2 , суммируя ординаты, соответствующие одной абсциссе, затем другой и т.д. Получаем кривую 3 , представляющую собой ВАХ всей цепи. Использую эту ВАХ, находим ток в цепи I н , соответствующее напряжению U = E . Затем, используя найденное значение тока, по ВАХ 0, 1 и 2 находим искомые напряжение U 0 , U 1 , U 2 (рис. 19).
Пусть источник ЭДС Е с внутренним сопротивлением r 0 питает два параллельно соединенных нелинейных элемента или сопротивления НС1 и НС2 , ВАХ которых известны. Требуется определить ток в ветвях цепи I 1 и I 2 , падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника и на нелинейных элементах.
Строим ВАХ I н = f ( U ab ) . Для этого складываем графически ВАХ 1 и 2 , суммируя абсциссы, соответствующие одной ординате, затем другой ординате и т.д. Строим ВАХ всей цепи (кривая 0,1,2 ). Для этого складываем графически ВАХ 0 и 1,2 , суммируя ординаты, соответствующие определенным абсциссам.
Использую эту ВАХ, находим ток в цепи I н , соответствующий напряжению U = E .
Использую ВАХ 1,2 , определяем напряжение U ab , соответствующее найденному току I н , и внутреннее падение напряжения U 0 , соответствующее этому току. Затем, используя ВАХ 1 и 2 находим искомые токи I 1 , I 2 , соответствующие найденному напряжению U ab (рис. 20).
Рассмотрим следующие примеры.
При последовательном соединении нелинейных сопротивлений с характеристиками R 1 и R 2 , если характеристика эквивалентного сопротивления R Э …
пройдет ниже характеристики R 1
пройдет выше характеристики R 1
пройдет, соответствуя характеристике R 1
пройдет ниже характеристики R 2
При последовательном соединении линейного и нелинейного сопротивлений с характеристиками а и б характеристика эквивалентного сопротивления…
пройдет ниже характеристики а
пройдет выше характеристики а
пройдет, соответствуя характеристике а
пройдет ниже характеристики б
Вывод по четвертому вопросу: нелинейные электрические цепи постоянного тока составляют основу электронных цепей. Существует два метода их расчете: аналитический и графический. Графический метод расчета позволяет более просто определить все необходимые параметры нелинейной цепи.