Электротехника: основы, понятия, положения и определения

Основные понятия, определения и законы электротехники

Электротехника — это область науки и техники, изучающая теорию и практическое применение электричества. Электроника – это наука, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами.

Электрическая цепь — это совокупность элементов, через которые замыкается электрический ток.

Простейшую электрическую  цепь можно представить в виде источника, потребителя и линии, соединяющей источник и потребитель электрического тока.

Рис.1. Простейшая цепь электрического тока

Все сложные электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы:

— источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы); — приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электронагреватели и т.д.);

— проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и др.)

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные. Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Электрическим током  I называют направленное движение зарядов, возникающее в замкнутой цепи под действием электродвижущей силы (ЭДС) Е источника (генератора).

Электрические заряды создаются смещением электронов. Когда имеет место избыток электронов в одной точке и дефицит электронов в другой, между этими точками существует разность потенциалов.

При наличии проводника между точками возникает поток  электронов, называемый током.

За положительное направление тока принято считать направление противоположное направлению потока (дрейфа) электронов и совпадающее с направлением положительных зарядов – дырок (см. раздел Основы электроники).

I =q/t ,

(1 ампер = 1 кулон/сек; кулон ≈6,28 ∙1018 электронов). Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и он может быть обозначен прописной буквой I.

Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током.

Значение переменноготока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i, мгновенное значение тока i =dq/ dt.

При перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, электрическое поле совершает работу. Отношение этой работы А к значению заряда q называется напряжением межу этими точками:

U=A/q .

Единица измерения напряжения — Вольт [В]. Можно вывести понятие напряжения и из количественной характеристики электрического поля — потенциала j. Напряжением между двумя точками электрического поля называется разность потенциалов в этих точках (j1 и j2): .

      Электрическая схема — это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 2 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии – активного элемента и пассивных элементов: электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.

Схема замещения — это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.

На рисунке 3 показана схема замещения рис. 2.

Пассивные элементы схем замещения

     Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость. В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д.

Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве.

В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

• Сопротивление проводника определяется по формуле
•      где l — длина проводника; S — сечение; ρ — удельное сопротивление материала проводника.
• Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью.
•      Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость — в сименсах (См).
• Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:

Индуктивностью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи часто пренебрегают.

1. На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.
2. Индуктивность может быть представлена как коэффициент пропорциональности между напряжением на катушке и скоростью изменения тока в ней
3.  .
4. Индуктивность катушки, измеряемая в генри [Гн], может определяется по формуле
5.        где W — число витков катушки; Ф — магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

      Емкостью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи обычно пренебрегают.

• На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения.
• Емкость может быть представлена как коэффициент пропорциональности между током, проходящим через цепь конденсатора и скоростью изменения напряжения на нем
• i = C.
• Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), может определяться по формуле:
•  где q — заряд на обкладках конденсатора; Uс — напряжение на конденсаторе.
• Основные законы
• Закон Ома:
• I=U/R,

т.е.

ток I, протекающий по участку цепи, будет равен напряжению на этом участке U (или разности потенциалов на концах рассматриваемого участка с учетом знака) деленному на сопротивление участка R.

Закон можно записать и как U=I×R. Найденную из этого равенства величину U называют падением напряжения на участке цепи с сопротивлением R, через который протекает ток I.

1.             В общем случае (при наличии источников ЭДС)
2. например, для участка цепи

.

Для получения данного выражения можно использовать либо соотношения между потенциалами отдельных точек участка, либо второй закон Кирхгофа (см. далее).

            Закон Джоуля-Ленца:       

W = I2×R×t,

т.е.

работа илиэнергия электрического тока W, преобразуемая в тепловую энергию за время t,рассчитывается по приведенной формуле. С учетом закона Ома можно записать

W =I×U×t.

По определению мощность это работа в единицу времени (т.е. деленная на t) . Тогда мощность электрического тока:

P= I2×R = U×I.

Закон электромагнитной индукции

            Раскрывает физическую природу происхождения электродвижущих сил. В самом общем виде формулируется следующим образом. В проводнике возникает ЭДС при любом изменении магнитного поля вокруг него.

            Учитывая принцип относительности, существуют следующие способы индуцирования ЭДС:

−     магнитное поле неизменно, но проводник перемещается в нем (Закон Фарадея-Ленца):

• здесь v — скорость перемещения проводника длиной l, движущемся в магнитном поле с индукцией В;
•  a — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции;
• эта формулировка закона лежит в основе работы электрических генераторов;
• — проводник неподвижен, но меняется магнитное поле вокруг него (ЭДС самоиндукции е):
• ,
• где- число витков в обмотке (если проводник выполнен в виде обмотки);
• dФ/dt — скорость изменения магнитного потока Ф.
•             Этот принцип лежит в основе работы трансформаторов.

            При протекании тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. При изменении тока в проводнике одновременно изменяется магнитное поле вокруг него.

Следовательно, проводник оказывается в переменном поле и в нем, согласно закону электромагнитной индукции, будет индуцироваться ЭДС.

Эта ЭДС носит название ЭДС самоиндукции, поскольку она возникает в следствие изменения тока в самом проводнике. Ее значение:

,

            Знак минус означает, что индуцированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей возникновение ЭДС. Это правило носит название правила Ленца или принципа электромагнитной инерции.

Поделитесь ссылкой пожалуйста:

Источник: https://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/2108-jelektrosnabzhenie-s-osnovami-jelektrotehniki/40946-1-osnovnye-ponjatija-opredelenija-i-zakony-jelektrotehniki.html

Разделы электротехники. Основные термины и определения электротехники

Электротехника включает в себя понятие использования электрических и магнитных сил для практических нужд. В основе науки лежит фундаментальный закон немецкого ученого Георга Ома о соотношении между электрической силой, напряжением и сопротивлением.

Это гениальное открытие способствовало развитию электрификации. Простота преобразования электроэнергии в другой вид энергии и подачи ее на дальние расстояния определили её главенствующее место среди других видов энергии.

С появлением электрификации производства произошел глобальный промышленный переворот, где ручной труд заменили машины.

Эта индустрия производит высокотехнологичную продукцию, такую как линии передач, электрические провода, высоковольтную и низковольтную аппаратуру, турбины, трансформаторы, электродвигатели и другую наукоемкую продукции.

Электротехника развивается по трем основным направлениям: энергетической (преобразование и получение энергии), технологической (получения и преобразования химического состава вещества) и информационной (передачи и сохранения информации.)

Электротехнические устройства легко поддаются автоматизации за чет чего достигается экономия электроэнергии на предприятии. Например, очень большую экономию дает тиристорный регулятор , управляющий термическими процессами. Дальнейшее развитие отрасли привело к созданию систем автоматизации печи.

Производство электричества стало самостоятельной отраслью в конце ХIХ века. С интенсивным промышленным развитием и ростом населенных пунктов потребность в электричестве возрастает, поэтому появляется необходимость в создании электрических станций для преобразования и подачи большого объема электроэнергии.

Электричество становятся товаром, и в целях экономической целесообразности производственные объекты начинают создавать в регионах, где есть дешевые топливные или энергетические ресурсы.

Электротехника дала зарождение электронике и автоматике. Появление автоматизированных систем позволило повысить эффективность производства в таких областях, как транспорт, химическая промышленность,
металлургия и др.

Технологии микроэлектроники способствовали развитию новой индустрии — информатики. Ее назначение — производство программного обеспечения компьютерной и вычислительной техники. Появление микропроцессоров и микроЭВМ позволило обеспечить народное хозяйство всеми необходимыми информационными ресурсами.

Электрический ток (I) это направленное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах свободными носителями заряда являются электроны, в плазме, электролите — ионы. Единица измерения силы тока – ампер (А).

Условно за положительное направление тока во внешней цепи принимают направление от положительно заряженного электрода (+) к отрицательно заряженному (-). Если направление тока в ветви неизвестно, то его выбирают произвольно.

Если в результате расчета режима цепи, ток будет иметь отрицательное значение, то действительное направление тока противоположно произвольно выбранному.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) это характеристика работы сил поля по переносу электрических зарядов через внешние элементы цепи. При этом электрическая энергия преобразуется в другие виды. Единица измерения – вольт (В).

За положительное направление напряжения приемника принимают направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока.

В электрических цепях и энергетических системах напряжение может иметь значения в пределах от нескольких вольт до сотен тысяч вольт.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила Е (ЭДС) характеризует способность индуцированного поля вызывать электрический ток. Единица измерения – вольт (В). Источники энергии могут быть источниками ЭДС и тока. В данном пособии рассматриваются только источники ЭДС. Источник ЭДС характеризуется двумя параметрами: значениями ЭДС (Е) и внутреннего сопротивления (r 0).

Источник ЭДС, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь, называют идеальным источником. Реальный источник ЭДС имеет определенное значение внутреннего сопротивления. У источника ЭДС внутренне сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки (R Н) и электрический ток в цепи зависит главным образом от величины ЭДС и сопротивления нагрузки.

Источник ЭДС имеет следующие графические обозначения.

Вольтамперная характеристика источника ЭДС имеет вид:

• Зависимость между напряжением на зажимах источника и его ЭДС имеет вид:
• U = E — r 0 ×
  I (для реального источника ЭДС)
• U = E (для идеального источника).

Электрическое сопротивление R это величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению свободных электрических зарядов (току). Единица измерения – Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью G. Единица измерения – сименс (См).

Электрическое сопротивление

1. Электрическое сопротивление проводника определяется по формуле
2. R=ρ
   l/S
3. где l – длина;S – поперечное сечение;
   ρ
   — удельное сопротивление.
4. По способности проводить электрический ток электротехнические материалы можно разделить на группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы (алюминий, медь, золото, серебро и др.) обладают высокой электропроводностью. Наиболее часто в проводах и кабелях используется алюминий, как наиболее дешевый. Медь имеет большую электропроводимость, но она дороже.

Из проводников следует выделить группу материалов с большим удельным сопротивлением. К ним относятся сплавы (нихром, фехраль и др.) они используются для изготовления обмоток нагревательных приборов и реостатов. Вольфрам используется в лампах накаливания. Константан и манганин используются в качестве сопротивлений в образцовых приборах.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики)

Электроизоляционные материалы (диэлектрики) имеют очень малую удельную электрическую проводимость. Они бывают газообразные, жидкие и твердые. Особенно большим разнообразием отличаются твердые диэлектрики.

К ним относятся резина, сухое дерево, керамические материалы, пластмассы, картон, пряжа и др. материалы. В качестве конструкционных материалов применяются текстолит и гетинакс.

Текстолит это диэлектрический материал основой которого является ткань, пропитанная феноло-формальдегидной смолой. Гетинакс это бумага, пропитанная феноло-формальдегидной смолой.

Полупроводники

Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы — арсенид галлия, фосфид галлия и др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.

Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока.

Источник: https://erfa.ru/razdely-elektrotehniki-osnovnye-terminy-i-opredeleniya.html

Основные термины и определения электротехники

Электрический ток

Электрический ток (I) это направленное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах свободными носителями заряда являются электроны, в плазме, электролите — ионы.

Единица измерения силы тока – ампер (А). Условно за положительное направление тока во внешней цепи принимают направление от положительно заряженного электрода (+) к отрицательно заряженному (-).

Если направление тока в ветви неизвестно, то его выбирают произвольно.

Если в результате расчета режима цепи, ток будет иметь отрицательное значение, то действительное направление тока противоположно произвольно выбранному.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) это характеристика работы сил поля по переносу электрических зарядов через внешние элементы цепи. При этом электрическая энергия преобразуется в другие виды. Единица измерения – вольт (В).

За положительное направление напряжения приемника принимают направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока.

В электрических цепях и энергетических системах напряжение может иметь значения в пределах от нескольких вольт до сотен тысяч вольт.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила Е (ЭДС) характеризует способность индуцированного поля вызывать электрический ток. Единица измерения – вольт (В). Источники энергии могут быть источниками ЭДС и тока. В данном пособии рассматриваются только источники ЭДС. Источник ЭДС характеризуется двумя параметрами: значениями ЭДС (Е) и внутреннего сопротивления (r0).

Источник ЭДС, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь, называют идеальным источником. Реальный источник ЭДС имеет определенное значение внутреннего сопротивления. У источника ЭДС внутренне сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки (RН) и электрический ток в цепи зависит главным образом от величины ЭДС и сопротивления нагрузки.

Источник ЭДС имеет следующие графические обозначения.

Вольтамперная характеристика источника ЭДС имеет вид:

• Рис. 1
• Зависимость между напряжением на зажимах источника и его ЭДС имеет вид:
• U = E — r0 × I (для реального источника ЭДС)
• U = E (для идеального источника).

Электрическое сопротивление R это величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению свободных электрических зарядов (току). Единица измерения – Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью G. Единица измерения – сименс (См).

Электрическое сопротивление

1. Электрическое сопротивление проводника определяется по формуле
2. R=ρl/S
3. где l – длина;
   S – поперечное сечение;
   ρ — удельное сопротивление.
4. По способности проводить электрический ток электротехнические материалы можно разделить на группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы (алюминий, медь, золото, серебро и др.) обладают высокой электропроводностью. Наиболее часто в проводах и кабелях используется алюминий, как наиболее дешевый. Медь имеет большую электропроводимость, но она дороже.

Из проводников следует выделить группу материалов с большим удельным сопротивлением. К ним относятся сплавы ( нихром, фехраль и др.) они используются для изготовления обмоток нагревательных приборов и реостатов. Вольфрам используется в лампах накаливания. Константан и манганин используются в качестве сопротивлений в образцовых приборах.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики)

Электроизоляционные материалы (диэлектрики) имеют очень малую удельную электрическую проводимость. Они бывают газообразные, жидкие и твердые. Особенно большим разнообразием отличаются твердые диэлектрики.

К ним относятся резина, сухое дерево, керамические материалы, пластмассы, картон, пряжа и др. материалы. В качестве конструкционных материалов применяются текстолит и гетинакс.

Текстолит это диэлектрический материал основой которого является ткань, пропитанная феноло-формальдегидной смолой. Гетинакс это бумага, пропитанная феноло-формальдегидной смолой.

Полупроводники

Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы — арсенид галлия, фосфид галлия и др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.

Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока.

Мощность в электрической цепи характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другой в единицу времени. Единица измерения мощности – Ватт (Вт).

• Для цепи постоянного тока мощность источника
• Pист = E I.
• Мощность приемника
• Рпр = U × I = R × I2 = U2/R

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции — устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями, был открыт в 1831 году М. Фарадеем, в 1873 году закон был обобщен и развит Д.Максвеллом:

Если магнитный поток Ф, проходящий сквозь поверхность, ограниченную некоторым контуром, изменяется во времени t, в контуре индуцируется ЭДС e, равная скорости изменения потока

Рис. 2

Дальше >
Лекции по основам электротехники >

Учебные работы по всем предметам Учебные материалы > Основы электротехники > Основные термины и определения электротехники

Источник: https://dprm.ru/elektrotehnika/osnovnye-terminy-i-opredelenia

Общие вопросы электротехники

Учебные вопросы

1. Определение и значение электротехники
2. Электрическая цепь и ее элементы
3. Электрические цепи постоянного и переменного тока.

Электротехника – область науки и техники, использующей электрическое и магнитное явления для практических целей.

История развития этой науки занимает два столетия. Она началась после изобретения первого электрохимического источника электрической энергии в 1799 г.

Именно тогда началось изучение свойств электрического тока, были установлены основные законы электрических цепей, электрические и магнитные явления стали использоваться для практических целей, были разработаны первые конструкции электрических машин и приборов. Жизнь современного человека, без использования электрической энергии, немыслима.

Все возрастающая потребность в использовании электрической энергии привело к проблеме ее централизованного производства, передачи на дальние расстояния, распределения и экономичного использования.

Решение проблемы привело к разработке и созданию трехфазных электрических цепей. Огромная заслуга в создании элементов таких цепей принадлежит выдающемуся русскому ученому М.О. Доливо-Добровольскому.

Сегодня электрическая энергия используется в технике связи, автоматике, измерительной технике, навигации. Она применяется для выполнения механической работы, нагрева, освещения, используется в технологических процессах (электролиз), в медицине, биологии, астрономии, геологии и др.

Столь обширное проникновение электротехники в жизнь человека привело к необходимости включить ее в состав общетехнических дисциплин при подготовке специалистов всех технических специальностей.   При этом перед студентами стоит главная задача – ознакомиться и усвоить физическую сущность электрических и магнитных явлений.

Это позволит понять принципы работы электромагнитных устройств, правильно их эксплуатировать.

Электрическая цепь и ее элементы

Электротехническое устройство и происходящие в нем физические процессы в теории электротехники заменяют расчетным эквивалентом – электрической цепью.

Электрическая цепь – это совокупность соединенных друг с другом проводниками источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью понятий ток, напряжение, ЭДС, сопротивление, проводимость, индуктивность, емкость.

Электрический ток может быть постоянным и переменным.

Постоянным называют ток, неизменный во времени. Он представляет направленное  упорядоченное движение носителей электрического заряда. Как известно из курса физики, носителями зарядов в металлах являются электроны, в полупроводниках электроны и дырки (ионы), в жидкостях – ионы.

Упорядоченное движение носителей зарядов в проводниках вызывается электрическим полем. Поле создается источниками электрической энергии. Источник преобразует химическую, механическую, кинематическую, световую или другую энергию в электрическую.

Он характеризуется ЭДС (электронно-движущая сила) и внутренним сопротивлением. ЭДС источника  может быть постоянной или переменной во времени. Переменная ЭДС может изменяться во времени по любому физически реализуемому закону.

Ток, протекающий по цепи под воздействием переменной ЭДС также переменный.

Постоянный ток принято обозначать буквой I,

•  переменный i(t);
• постоянную ЭДС – Е,
• переменную е(t),
• сопротивление – R,
• проводимость -g.

В международной системе единиц (СИ) ток измеряют в амперах (А), ЭДС – в вольтах (В), сопротивление в омах (Ом), проводимость – в сименсах (См).

При анализе электрических цепей, как правило оценивают значение токов, напряжений и мощностей. В этом случае нет необходимости учитывать конкретное устройство различных нагрузок. Важно знать лишь их сопротивление – R, индуктивность – L, или емкость – С. Такие элементы цепи называют приемниками электрической энергии.

Для включения и отключения элементов электрических цепей применяют коммутационную аппаратуру (рубильники, выключатели, тумблеры). Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощности.

• Изображение электрической цепи с помощью условных графических обозначений называют электрической схемой.
• Зависимость тока, протекающего по сопротивлению, от напряжения на этом сопротивлении принято называть вольтамперной характеристикой.
• Приемники электрической энергии, вольтамперные характеристики которых являются прямыми линиями называются линейными, а электрические цепи только с линейными элементами – линейными электрическими цепями.
• Электрические цепи с нелинейными элементами называются нелинейными электрическими цепями.

Источники электрической энергии

Одной из основных характеристик источников электрической энергии является ЭДС. Количественно ЭДС характеризуется работой А, которая совершается при перемещении заряда в 1 Кл в пределах источника.

Графически ЭДС изображают стрелкой в кружке. Направление стрелки совпадает с направлением ЭДС.

Перемещение заряда определяет ток источника. Прохождение тока сопровождается потерями на нагрев источника. Количественно потери удобно определять внутренним сопротивлением Rвн. Поэтому условное графическое обозначение источника ЭДС представляет последовательное включение ЭДС Е и внутреннего сопротивления Rвн.

Символами 1 – 1’ обозначаются зажимы источника. Разность потенциалов на зажимах источника называется напряжением U [B]. Стрелками показываются положительные направления тока и напряжения. Когда ключ К разомкнут, ток в цепи равен нулю и напряжение на зажимах источника равно ЭДС.

Замыкаем ключ К. В цепи возникнет ток:

При этом напряжение на зажимах источника будет равно:

Если у источника ЭДС Rвн = 0, то вольтамперная характеристика его будет в виде прямой . Такой источник называют идеальным. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от тока.

Если у некоторого источника увеличивать Е и Rвн до бесконечности,  Такой источник питания называют источником тока. Ток источника не зависит от сопротивления нагрузки. Реальный источник тока имеет конечные значения Е и Rвн.

При расчете электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечными Е и Rвн заменяют источником ЭДС или источником тока.

Источники питания могут иметь постоянную ЭДС – Е или переменную е(t) , изменяющуюся во времени по заданному закону.

В первом случае в цепи протекает постоянный ток и она называется цепью постоянного тока. Во втором случае ток i(t) и напряжение u(t) переменные, поэтому цепь называется цепью переменного тока.  В электротехнике чаще других применяется синусоидальные ток и напряжение.

Приемники электрической энергии

Приемники электрической энергии делятся на пассивные и активные.

Пассивными называют приемники в которых не возникает ЭДС. Вольтамперные характеристики пассивных приемников проходят через начало координат. При отсутствия напряжения ток этих элементов равен нулю. Основной характеристикой пассивных элементов является сопротивление.

Пассивные элементы, сопротивление которых не зависит от приложенного напряжения называются линейными. Реально таких элементов не существует. Но весьма близки к ним резисторы, реостаты, лампы накаливания и др. Зависимость напряжения от тока в таких элементах определяется законом Ома, т.е. U = I*R, где R – сопротивление элемента.

Эта зависимость не меняется, если напряжение и ток – переменное.

Основным параметром индуктивного элемента является индуктивность – L. Единица измерения – генри [Г]. Если через индуктивность L протекает постоянный ток I, то в ней возникает постоянное во времени потокосцепление самоиндукции.

Будем полагать, что элемент L идеальный, т.е. сопротивление витков r отсутствует. Очевидно, что при этом падение напряжения на элементе равно нулю.

Кроме пассивных, в электротехнике применяются активные приемники. К ним относятся электродвигатели, аккумуляторы в процессе их заряда и др.

В цепи переменного тока при определенных условиях роль активных элементов выполняют индуктивность и емкость. В активных элементах возникает противо – ЭДС Е.

Приложенное к приемнику напряжение уравновешивается противо-ЭДС и падением напряжения на сопротивлении элемента, т.е.:

Основные топологические понятия и определения

Основными топологическими понятиями теории электрических цепей являются ветвь, узел, контур, двухполюсник, четырехполюсник, граф схемы электрических цепей, дерево и связь графо схемы. Рассмотрим некоторые из них.

Ветвью называют участок электрической цепи с одним и тем же током. Она может состоять из одного или нескольких последовательно включенных элементов.

Узлом называют место соединения трех и более ветвей. Узел обозначается на схеме точкой. Узлы, имеющие равные потенциалы, объединяются в один потенциальный узел.

Контуром называют замкнутый путь, проходящий через несколько ветвей и узлов электрической цепи.

Независимым называется контур, в состав которого входит хотя бы одна ветвь, не принадлежащая соседним контурам.

Двухполюсником называют часть электрической цепи с двумя выделенными зажимами – полюсами. Двухполюсник обозначают прямоугольником с индексами А или П. А – активный двухполюсник, в составе которого есть источники ЭДС. П – пассивный двухполюсник.

Закон Ома и Кирхгофа

1. Закон Ома для участка цепи без ЭДС устанавливает связь между током и напряжением на этом участке:
2. или Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС позволяет найти ток этого участка
3. здесь а, б – крайние точки участка; Е – значение ЭДС.
4. Знак «плюс» ставится при совпадении тока, протекающего по участку, с направлением ЭДС.
5. Первый закон Кирхгофа имеет две формулировки.
6. 1) Сумма токов протекающих через любой узел равна нулю.
7. 2) Сумма токов втекающих в узел равна сумме токов вытекающих из него.
8. Второй закон Кирхгофа:

Алгебраическая сумма падений напряжения в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС вдоль этого контура, т.е.

В каждую из сумм слагаемые входят со знаком «плюс», если они совпадают с направлением обхода.

Электрические цепи постоянного и переменного тока

Чтобы в электрической цепи протекал переменный ток, цепь должна быть присоединена к источнику переменной ЭДС.

Она выступает здесь в роли периодической вынуждающей силы, и ток в цепи совершает вынужденные колебания, разумеется, с частотой вынуждающей силы.

Если ЭДС в источнике изменяется со временем по закону   и источник включен в цепь с активным сопротивлением R, то и ток в цепи изменяется по косинусоидальному закону.

и источник включен в цепь с активным сопротивлением R, то и ток в цепи изменяется по к синусоидальному закону:

Здесь εm и Im — амплитуды (максимальные значения) ЭДС и силы тока.

Но свойства функции косинуса таковы, что в среднем за период колебаний сила тока равна нулю. Это, однако, не значит, что такой ток бесполезен и ни в чем себя не проявляет.

Потому что хотя в среднем сила тока и равна нулю, не равен нулю квадрат силы тока. А мощность тока определяется именно квадратом силы тока.

В любой момент времени мощность переменного тока в цепи с активным сопротивлением выражается равенством:

• Среднее значение квадрата косинуса за период равно не нулю, а 1/2, так что среднее значение мощности
• Величина  называется действующим значением силы тока.
• В нашем случае мощность можно также выразить через напряжение на сопротивлении:
• Где:   – Действующее значение напряжения
• В этом состоит одно из отрицательных свойств переменного тока.
• Есть и другие отрицательные следствия.

Явление электромагнитной индукции приводит, например, к тому, что переменный ток в проводах распределяется не равномерно по всему сечению, а главным образом вблизи поверхности. (Это явление называется скин- эффектом).

  Благодаря тому, что используется не все сечения проводов, их сопротивление реально возрастает. Далее, переменный ток, как и ток постоянный, окружен магнитным полем, но полем переменным.

А такое поле, согласно закону электромагнитной индукции, вызывает в соседних проводах и в других проводящих материалах электрические токи, что приводит к бесполезной потере энергии.

Прежде всего, сам принцип действия электрических генераторов таков, что в них возникает именно переменная ЭДС. Но не в этом главное. С помощью нехитрого устройства можно тот же генератор сделать источником и постоянного тока.

Главная причина «популярности» переменного тока связана с тем, что электрическую энергию приходится передавать из мест, где она производится (электростанции), к местам ее потребления и часто на большие расстояния.

При этом часть передаваемой энергии неизбежно теряется в виде тепла в проводах, по которым она передается в линиях электропередачи (ЛЭП). Чтобы эти потери были не слишком высокими, нужно, оказывается, использовать для передачи высокое напряжение.

Но на клеммах генераторов электростанций напряжение значительно меньше — всего несколько тысяч вольт. Значит, в начале линии электропередачи это напряжение нужно повысить, а перед распределением энергии среди потребителей — понизить так, чтобы, потребитель получил ее при напряжении 220 вольт.

Такое повышение и понижение напряжения оказывается возможным только для переменного тока. Делается это с помощью устройств, действующих на основе явления электромагнитной индукции, — трансформаторов.

Существование трансформаторов — пожалуй, единственная причина повсеместного применения переменного тока в технике.

Однако те недостатки переменного тока, которые были изложены выше, заставляют думать о том, нельзя ли все-таки для передачи электрической энергии использовать постоянный ток, конечно, тоже высокого напряжения? Это сделать непросто. Действительно, сначала нужно переменное напряжение, после его повышения, преобразовать в постоянное (для этого служат выпрямители), а затем на другом

конце ЛЭП — превратить переданное постоянное напряжение в переменное (это можно сделать с помощью устройств, называемых инверторами), чтобы напряжение можно было понизить до значения, нужного потребителю. Одна такая ЛЭП постоянного тока на напряжении 400 кВ уже работает.

Схемы соединения трехфазных цепей

Под трехфазной симметричной системой ЭДС понимают совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 120. 

Трехфазную  систему э.д.с. получают при помощи трехфазного генератора, в пазах статора которого размещены три электрически изолированные друг от друга обмотки – фазные обмотки генератора.  Плоскости обмоток смещены в пространстве на 120°. При вращении ротора генератора в обмотках наводятся синусоидальные э.д.с. одинаковые по амплитуде,  но сдвинутые по фазе на 120°.

Чтобы отличить три э.д.с. трехфазного генератора друг от друга, их обозначают соответствующим образом. Если одну э.д.с. обозначить  , а  опережающая на 120° –

1. На электрической схеме  трехфазный генератор изображают в виде трех обмоток, расположенных друг к другу под углом  120°.
2. При соединении “звездой” одноименные зажимы (например, концы) трех обмоток объединяются в один узел, который называют нулевой точкой генератора и обозначают буквой 0. Начала обмоток  генератора обозначают буквами А, В, С
3. При соединении обмоток генератора “треугольником” конец первой обмотки генератора соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, конец третьей – с началом первой.

Геометрическая сумма э.д.с. в треугольнике равна нулю. Поэтому, если в зажимам А, В, С не присоединена нагрузка, то по обмоткам генератора не будет протекать ток. Совокупность трехфазной системы ЭДС и трехфазной нагрузки (или нагрузок и соединительных проводов) называют трехфазной цепью. 

Источник: https://fireman.club/presentations/obshhie-voprosy-elektrotexniki/