Глава 1. Линейные электрические цепи постоянного тока

1. Основные понятия об электрических цепях

Совокупность устройств, образующих путь для электрического тока называется электрической цепью.

Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по назначению можно подразделить на три группы. Первая группа – элементы, предназначенные для генерирования (выработки) электроэнергии (источники питания или источники электроэнергии). Вторая группа – элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т. д.); эти элементы называются приёмниками электрической энергии или электроприёмниками. Третья группа – это элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к электроприёмнику (провода и др.).

Постоянный ток представляет собой направленное упорядочное движение частиц, несущих на себе электрические заряды: в металлах – свободные электроны, в жидкостях – ионы. Постоянным током называется ток, неизменный во времени (рис. 1.1).

З а положительное напра-вление электрического тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. от «+» источника электроэнергии к «».

Электрический ток харак-теризуется силой тока (I). Силой тока называют

Рис. 1.1 скалярную физическую

величину, равную электри-

ческому заряду (q), проходящему через поперечное сечение проводника за одну секунду (измеряется в амперах – А):

I= . (1.1)

Упорядочное движение носителей заряда в проводниках вызывается электрическим полем, созданным источником электрической энергии.

К источникам электрической энергии постоянного тока относятся гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Источники электроэнергии преобразуют химическую, или тепловую, или механическую энергию в электрическую энергию. Они характеризуются величиной и направлением электродвижущей силы (ЭДС) и величиной внутреннего сопротивления (R_ВТ).

Электродвижущей силой (Е) называют физическую величину, численно равную работе сторонних сил источника энергии (А_СТ), отнесённую к единице положительного заряда (q):

Е = . (1.2)

Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами (в гальванических элементах) или изменяющимися магнитными полями (в электромеханических генераторах) и другими процессами.

За положительное направление ЭДС источника электроэнергии принимается направление возрастания потенциала внутри этого источника (рис. 1.2).

Э лектроприёмниками по-стоянного тока являются электродвигатели, преобра-зущие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осве-тительные приборы и др. Все электроприёмники

Рис. 1.2 характеризуются величиной

сопротивления (R) и

напряжением на его зажимах (U).

Напряжением на участке цепи аb (разностью потенциалов) называют физическую величину, численно равную работе сил электрического поля на этом участке (А_ЭП), отнесённой к единице положительного заряда (q), измеряемой в вольтах (В):

U = . (1.3)

Сопротивление R (измеряется в Омах (Ом), а также проводимость G (величина, обратная сопротивлению R, измеряемая в сименсах (См) элемента электрической цепи являются параметрами цепи.

Зависимость напряжения на зажимах элемента цепи от тока или зависимость тока, протекающего по элементу от напряжения на его зажимах, называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Е сли сопротивление элемента постоянно при любом значении тока в нём и любом значении прило-женного к нему напряжения, то ВАХ U = R I или I = U/R является прямой линией (рис. 1.3), и такой элемент

Рис. 1.3 называется линейным

элементом.

Электрическая цепь, содержащая только линейные элементы называется линейной электрической цепью.

Графическое изображение электрической цепи с помощью условных обозначений её элементов, показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической цепи. Различают неразветвлённые и разветвлённые электрические цепи.

Н еразветвлённой электрической цепью называют такую цепь, в которой все источники и приёмники электрической энергии соединены последовательно, т. е. по всем элементам такой цепи протекает один и тот же электрический ток (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Рис. 1.5

Электрическая цепь, содержащая два или более узлов и несколько ветвей, называется разветвлённой (рис. 1.5).

Ветвь – участок электрической цепи, образованный последовательно соединёнными элементами, по которым протекает один и тот же ток, заключённый между двумя узлами. Место соединения ветвей электрической цепи называется узлом. На электрических схемах узел обозначается точкой. На рис. 1.5 два узла: а и в и три ветви:

1. b - R₁ - Е₁ - R₃ - a, ток первой ветви I₁;

2. а - Е₂ - R₂ - b, ток второй ветви I₂;

3. а - R₄ - b, ток третьей ветви I₃.