Електричне коло постійного струму

 

Електричне коло постійного струму і її характеристики

В електротехніці розглядається пристрій і принцип дії основних електротехнічних пристроїв, що використовуються в побуті і промисловості. Щоб електротехнічне пристрій працював, повинна бути створена електричний ланцюг, завдання якої передати електричну енергію цього пристрою і забезпечити йому необхідний режим роботи.

Електричним колом називається сукупність пристроїв і об'єктів, що утворюють шлях для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можуть бути описані за допомогою понять про електричний струм, ЕРС (електрорушійна сила) і електричному напрузі.

ЕРС - величина, що характеризує джерело енергії неелектростатіческой природи в електричному ланцюзі, необхідний для підтримки в ній електричного струму. Едс чисельно дорівнює роботі по переміщенню одиничного позитивного заряду уздовж замкненого кола. повна еРС в ланцюзі постійного струму дорівнює різниці потенціалів на кінцях розімкнутої ланцюга. В СІ вимірюється в вольтах.

« Електричний струм - це впорядкована (спрямований) рух заряджених частинок - електронів»Правильно тільки для електричного струму у вакуумі, а точніше - електровакуумних приладах.

Альтернативою класичного поняття Електричного струму в провіднику є дипольна атомарна модель. При впливі енергії джерела електричного струму, все диполі атомів провідника повертаються, орієнтуючись своїми однойменними полюсами в одному напрямі, який забезпечує миттєву (зі швидкістю світла), передачу енергії на протилежний кінець провідника.
Тоді визначення електричного струму для провідників буде виглядати так:
«Електричний струм - це здатність атомів провідника здійснювати перенесення електричних зарядів, шляхом магнітної орієнтації під впливом енергії джерела електричного струму».
Не зрозуміло, що є носієм електричного заряду? Адже диполі, не переміщаються уздовж провідника, вони лише орієнтуються по магнітного поля, Повертаючись на місці. А заряд це властивість матеріальних тіл і в свою чергу без носія існувати не може.
А носія енергії, що переміщається по провіднику насправді і немає! Енергія переміщається у вигляді фотонів - точкових електромагнітних коливань мають чітку геометричну форму і поляризацію. Так як фотон не має масу, він здатний рухатися зі швидкістю світла - подібно радіосигналу, оскільки і світло, і радіосигнал - це теж потік фотонів. При цьому, рухаючись з такою величезною швидкістю він, при відсутності маси здатний різко (без інерції) міняти свій напрямок. Якщо цей рух довірити електронам, то вони «пробивали» б метали, руйнуючи їх на молекулярному рівні, подібно дрібному космічному «сміттю», обертається на космічній швидкості на навколоземних орбітах, і періодично виводить з ладу дорогі космічні апарати, «прошиваючи» обшивку апаратів наскрізь . До речі, в електровакуумних приладах, де носіями енергії дійсно виступають електрони, таке явище спостерігається.

Електрична напруга (Електричний потенціал) вимірюється приладом званим Вольтметром - різниця потенціалів, яка змушує текти струм, вимірюється в Вольтах (В). Так само, як для струму, для збільшення діапазону позначень, існують кратні приставки: (мікро - мікровольт (мкВ), милі - мілівольт (мВ), кіло - кіловольт (кВ), мега - мегавольт (МВ).

Для аналізу і розрахунку електричний ланцюг графічно представляється у вигляді електричної схеми, що містить умовні позначення її елементів і способи їх з'єднання. Електрична схема найпростішого електричного кола, що забезпечує роботу освітлювальної апаратури, представлена \u200b\u200bна рис. 1.1.

Всі пристрої та об'єкти, що входять до складу електричного кола, можуть бути розділені на три групи:

1) Джерела електричної енергії (харчування).

загальною властивістю всіх джерел живлення є перетворення будь-якого виду енергії в електричну. Джерела, в яких відбувається перетворення неелектричної енергії в електричну, називаються первинними джерелами. Вторинні джерела - це такі джерела, у яких і на вході, і на виході - електрична енергія (наприклад, випрямні пристрої).

2) Споживачі електричної енергії.

Загальною властивістю всіх споживачів є перетворення електроенергії в інші види енергії (наприклад, нагрівальний прилад). Іноді споживачі називають навантаженням.

3) Допоміжні елементи ланцюга: з'єднувальні дроти, комутаційна апаратура, апаратура захисту, вимірювальні прилади і т.д., без яких реальна ланцюг не працює.

Всі елементи ланцюга охоплені одним електромагнітним процесом.

В електричній схемі на рис. 1.1 електрична енергія від джерела ЕРС E, що володіє внутрішнім опором r 0, за допомогою допоміжних елементів ланцюга передаються через регулювальний реостат R до споживачів (навантаженні): електричним лампочкам EL 1 і EL 2.

Основні поняття і визначення для електричного кола

Для розрахунку і аналізу реальна електричний ланцюг представляється графічно у вигляді розрахункової електричної схеми (схеми заміщення). У цій схемі реальні елементи ланцюга зображуються умовними позначеннями, причому допоміжні елементи ланцюга зазвичай не зображуються, а якщо опір сполучних проводів набагато менше опору інших елементів ланцюга, його не враховують. Джерело живлення показується як джерело ЕРС E з внутрішнім опором r 0, реальні споживачі електричної енергії постійного струму замінюються їх електричними параметрами: активними опорами R 1, R 2, ..., R n. За допомогою опору R враховують здатність реального елемента ланцюга необоротно перетворювати електроенергію в інші види, наприклад, теплову або променисту.

При цих умовах схема на рис. 1.1 може бути представлена \u200b\u200bу вигляді розрахункової електричної схеми (рис. 1.2), в якій є джерело живлення з ЕРС E і внутрішнім опором r 0, а споживачі електричної енергії: регулювальний реостат R, електричні лампочки EL 1 і EL 2 замінені активними опорами R, R 1 і R 2.

Джерело напруги на електричній схемі (рис. 1.2) може бути замінений джерелом напруги U, причому умовне позитивний напрямок напруги U джерела задається протилежним напрямку ЕРС.

При розрахунку в схемі електричного кола виділяють кілька основних елементів.

Гілка електричного кола (схеми) - ділянка ланцюга з одним і тим же струмом. Гілка може складатися з одного або декількох послідовно з'єднаних елементів. Схема на рис. 1.2 має три гілки: гілка bma, в яку включені елементи r 0, E, R і в якій виникає струм I; гілка ab з елементом R 1 і струмом I 1; гілка anb з елементом R 2 і струмом I 2.

Вузол електричного кола (схеми) - місце з'єднання трьох і більше гілок. У схемі на рис. 1.2 - два вузла a і b. Гілки, приєднані до однієї пари вузлів, називають паралельними. Опору R 1 і R 2 (рис. 1.2) знаходяться в паралельних гілках.

Контур - будь-який замкнутий шлях, що проходить по декількох гілках. У схемі на рис. 1.2 можна виділити три контури: I - bmab; II - anba; III - manbm, на схемі стрілкою показують напрямок обходу контуру.

Умовні позитивні напрямки ЕРС джерел живлення, струмів у всіх гілках, напруг між вузлами і на затискачах елементів ланцюга необхідно задати для правильного запису рівнянь, що описують процеси в електричному ланцюзі або її елементах. На схемі (рис. 1.2) стрілками вкажемо позитивні напрямки ЕРС, напруг і струмів:

а) для ЕРС джерел - довільно, але при цьому слід враховувати, що полюс (зажим джерела), до якого спрямована стрілка, має більш високий потенціал по відношенню до іншого полюсу;

б) для струмів в гілках, що містять джерела ЕРС - збігаються з напрямом ЕРС; у всіх інших гілках довільно;

в) для напруг - збігаються з напрямом струму в гілці або елемента ланцюга.

Всі електричні ланцюги діляться на лінійні і нелінійні.

Елемент електричного кола, параметри якого (опір та ін.) Не залежать від струму в ньому, називають лінійним, наприклад електропіч.

Нелінійний елемент, наприклад лампа розжарювання, має опір, величина якого збільшується при підвищенні напруги, а отже і струму, що підводиться до лампочки.

Отже, в лінійного електричного кола всі елементи - лінійні, а нелінійної називають електричний ланцюг, що містить хоча б один нелінійний елемент.