Основи теорії ланцюгів

В.І.Вепрінцев. Основи теорії кіл.

Електричним колом називається сукупність пристроїв, призначених для проходження електричного струму і описуваних за допомогою понять напруги і струму. Електричне коло складається з джерел (генераторів) і споживачів електромагнітної енергії - приймачів або нагруз-

Джерелом називають пристрій, що створює (генерує) струми і напруги. Як джерела можуть виступати пристрої (акумулятори, гальванічні елементи, термоелементи, п'єзодатчики, різні генератори і т. Д.), Що перетворюють різні види енергії (хімічної, теплової, механічної, світловий, молекулярно-кінетичної і ін.) В електричну. До джерел відносяться і приймальні антени, в яких не відбувається зміна виду енергії.

Приймачем називають пристрій, яке споживає (запасаючих) або перетворює електричну енергію в інші види енергії (теплову, механічну, світлову і т. Д.). До навантажень відносяться і передавальні антени, що випромінюють електромагнітну енергію в простір.

В основі теорії електричних ланцюгів лежить принцип моделювання. При цьому, реальні електричних ланцюга замінюються деякою ідеалізованою моделлю, що складається з взаємозв'язаних ідеалізованих елементів. Під елементами маються на увазі ідеалізовані моделі різних пристроїв, яким приписуються певні електричні і магнітні властивості так, що вони із заданою точністю відображають явища, що відбуваються в реальних пристроях. Таким чином, кожному елементу ланцюга відповідають певні співвідношення між безліччю струмів і напруг.

Основи теорії ланцюгів

В теорії ланцюгів розрізняють активні і пасивні елементи. Активними елементами вважаються джерела електричної енергії: джерела напруги і джерела струму. До пасивних елементів відносяться опору, індуктивності і ємності. Ланцюги, що містять активні елементи, називаються активними, що складаються тільки з пасивних елементів - пасивними.

Електричного струму приписується напрямок, що збігається з напрямком переміщення позитивних зарядів. Кількісна характеристика - миттєве значення струму (значення його в даний момент часу)

де dq - заряд, що пройшов за час dt через поперечний переріз провідника. В системі СІ ток вимірюється в амперах (А).

Для перенесення елементарного заряду dq через будь-якої пасивний ділянку ланцюга, необхідно затратити енергію

Тут u - миттєве значення напруги (різниці потенціалів) на затискачах пасивного ділянки ланцюга. Різниця потенціалів - скалярна величина, яка визначається роботою сил електричного поля при перенесенні одиничного позитивного заряду через заданий пасивний ділянку. В системі СІ напруга вимірюється в вольтах (В).

У загальному випадку струм і напруга є функціями часу і можуть мати різні величини і знак в різні моменти часу.

В теорії ланцюгів напрямок струму характеризується знаком. Позитивний або негативний струм мають сенс тільки при порівнянні напрямки то-

ка по відношенню до довільно обраному позитивному напрямку.

яке зазвичай вказується стрілкою (рис.1).

Позитивний напрямок напруги не пов'язане з позитивним напрямком струму. Але, вибравши позитивний напрямок напруги від точки а до точки б. умовно вважаємо, що потенціал точки а вище потенціалу точки б. Зазвичай в задачах з розрахунку електричних ланцюгів вважають позитивний напрямок струму в галузі збігається з позитивним напрямком напруги між вузлами цієї гілки.

Якщо під впливом прикладеної напруги U через ділянку ланцюга проходить електричний заряд q. то що здійснюються при цьому елементарна робота або надходить в приймач енергія дорівнює:

dw = u dq = ui dt.

Енергія, яка визначається цією формулою, доставляється джерелом і витрачається в приймальнику, т. Е. Перетворюється в інший вид енергії, наприклад в тепло деяка частина її запасається в електричному і магнітному полях елементів ланцюга.

Миттєве значення швидкості зміни енергії, що надходить в ланцюг,

p = dw dt = u dq dt = ui.

називається миттєвою потужністю.

Енергія, що надійшла в приймач за проміжок часу від t 1 до t 2. ви-

В системі СІ робота і енергія вимірюються в джоулях (дж), потужність в ватах (Вт).

Елементи електричного кола

1. Пасивні елементи.

Опором називається ідеалізований елемент ланцюга, що характеризує перетворення електромагнітної енергії в будь-який інший вид енергії (теплову - нагрів, механічну, випромінювання електромагнітної енергії та ін.), Т. Е. Що володіє тільки властивістю незворотного розсіювання енергії. Умовне позначення опору показано на рис.2.

Основи теорії ланцюгів

Математична модель, що описує властивості опору, определя-

ється законом Ома.

u = Ri або i = Gu.

Тут R і G - параметри ділянки ланцюга називаються відповідно з-

спротивом і провідність, G = 1 / R. Опір вимірюється в Омаха (Ом), а провідність - в Сіменс (Сим).

Миттєва потужність, яка надходить в опір

P R = ui = Ri 2 = Gu 2.

Електрична енергія, що надійшла в опір і перетворена в тепло за проміжок часу від t 1 до t 2. дорівнює:

т. е. індуктивність є магнітний потік, віднесений до одиниці пов'язаного з ним струму. В системі СІ індуктивність вимірюється в генрі

Якщо котушка містить n однакових витків (рис.5, б), то повний магнітний потік (потокозчеплення)

де Ф '- потік, що пронизує кожен з витків. Індуктивність котушки в цьому випадку

У загальному випадку залежність потокосцепления від струму нелінійна (рис.6, а), отже, індуктивність також є нелінійної.

Зв'язок між струмом і напругою на індуктивності визначається на підставі закону електромагнітної індукції, згідно з яким зміна потокозчеплення викликає е.р.с. самоіндукції

Основи теорії ланцюгів

чисельно рівну і протилежну за знаком швидкості зміни повного магнітного потоку.

Якщо індуктивність не залежить від струму, то величина

u L = - е L = L dt di

називається напругою (або падінням напруги) на індуктивності. З останнього виразу випливає, що струм в індуктивності

i L (t) = L - ∫ ∞ u L dt.

тобто визначається площею, обмеженою кривою напруги u L (рис.7).

Миттєва потужність має сенс швидкості зміни запасеної в магнітному полі енергії:

p L = u L i = Li dt di.

Енергія, запасені в магнітному полі індуктивності в довільний момент часу t визначається за формулою

Основи теорії ланцюгів

Тут враховано, що при - ∞ ≤ t ≤ 0 струм в індуктивності дорівнював нулю. Якщо частина магнітного потоку, пов'язаного з котушкою L 1. пов'язана одно-

тимчасово і з котушкою L 2. то ці котушки володіють параметром М. називаються

ваемого взаємною індуктивністю. Взаємна індуктивність визначається як відношення потокозчеплення взаємної індукції однієї котушки до току в інший

У першій і другій котушках наводяться е. д. з. взаємної індукції рівні

e 1 M = - dФ dt 12 = - M di dt 2; e 2 M = - dФ dt 21 = - M di dt 1.

Останні вирази справедливі за умови, що М не залежить від струмів, що протікають в обох котушках.

Взаємна індуктивність вимірюється також в генрі (Гн).

Ємністю називається ідеалізований елемент електричного кола, що характеризує запасається в ланцюзі енергію електричного поля. Умовне позначення індуктивності показано на рис.8.

При підведенні до двох електродів (рис.9, а) напруги, на них накопичуються рівні за величиною і різні за знаком заряди + q і в навколишньому просторі створюється електричне поле.

Згідно з теоремою Гаусса - Остроградського потік Ф Е вектора електричного зміщення D

Схожі статті