Елементи електричних кіл і їхні графічні зображення
Електричне коло, в залежності від характера протікаючого в ньому струму називають: «електричне коло постійного струму» або «електричне коло змінного струму». Якщо потрібне уточнення, тоді говорять «електричне коло синусоїдального (несинусоїдального) струму».
Елементи кіл і складені з них електричні кола підрозділяють ще за виглядом характеристик, що виражають, наприклад, залежність їхнього струму від прикладеної напруги I(U) - ампер-вольтна характеристика (АВХ). Приклади таких характеристик наведені на рис. 1.2. Елементи кіл, АВХ яких є лінійними, називають лінійними елементами. Нелінійні характеристики мають нелінійні елементи.
Електричні кола постійного і змінного струмів розрізнюють також за способом з’єднання їхніх елементів - нерозгалужені й розгалужені кола, за числом джерел електричної енергії - кола з одним і декількома джерелами електричної енергії. Електричне коло, що складається з лінійних елементів, називають лінійним колом. Електричне коло, до якого входить хоча би один нелінійний елемент, називають нелінійним колом (рис. 1.2). Приймачі електричної енергії як елементи електричного кола мають властивості поглинати електричну енергію з кола й перетворювати її на інші види енергії (необоротний процес), створювати свої магнітні й електричні поля, енергії яких можуть накопичуватися і за певних умов повертатися назад у коло(оборотний процес). Щоб характеризувати ці властивості, вводять поняття параметрів елемента. У числі параметрів елементів кола розрізняють опір, індуктивність і ємність.
Опір (R) - параметр, що характеризує властивість елемента поглинати енергію з електричного кола й перетворювати її на інші види енергії (теплову або світлову).
|
Рис.1.2 - Характеристики елементів кола: 1 - лінійна, 2 - нелінійна |
Відомо, що потужність (Р, р) перетворення електричної енергії
/7-2
пропорційна квадрату струму (I,
.2,
і ), тому величина цього параметра - опір - визначається відношенням R = Р/I для постійного струму і R = p/i для змінного струму. Одиницею виміру опору є Ом.
Властивість елемента кола створювати власне магнітне поле
(поле самоіндукції), коли в ньому є електричний струм, характеризують параметром індуктивності L. Індуктивність є коефіцієнтом пропорційності між струмом (I, і) і потокозчепленням (щ щ) даного пристрою: щ = L I або щ = L і. Його називають коефіцієнтом самоіндукції і вимірюють у Генрі (Г).
Параметр взаємної індуктивності M характеризує властивість першого елемента із струмом І1 створювати магнітне поле, що частково зчіплюється з витками w2 другого елемента. Потокозчеплення щ21 другого елемента (перший індекс), що обумовлене струмом І1 першого елемента (другий індекс), називають потокозчепленням взаємоіндукції другого елемента. Параметр взаємної індуктивності M є коефіцієнтом пропорційності між струмом першого елемента й створеним цим струмом потокозчепленням другого елемента: щ21 = M-11 або щ2ц = M - і1.
Ємність (C) - параметр, що характеризує властивість елемента накопичувати заряди або збуджувати ними електричне поле. Цей параметр є коефіцієнтом пропорційності між напругою і зарядом елемента: q = C U.
У загальному випадку будь-який реальний пристрій має усі три параметри R, L і С.
Основну властивість джерела електричної енергії - здатність створювати й підтримувати різницю потенціалів на окремих ділянках кола, а також збуджувати й підтримувати електричний струм у замкнутому колі - характеризують його електрорушійною силою (ЕРС).
Проходження струму по джерелу супроводжується втратою енергії усередині джерела на нагрів. Ці втрати характеризують параметром опору R. Тому параметр опору поряд з ЕРС є важливим параметром джерела. У деяких випадках у джерелах змінного струму враховують також параметр індуктивності L.
Елементи кола, роботу яких можна описати за допомогою параметрів R, L, M і С, називають пасивними. Термін "пасивний" підкреслює, що такі елементи не можуть виконати своє призначення без впливу на них сторонніх джерел.
Елементи кола, для опису роботи яких, крім пасивних параметрів, необхідно вводити ЕРС або струм, називають активними. До активних елементів відносять джерела електричної енергії і деякі приймачі (акумулятори при зарядці, двигуни постійного струму та ін.).
Елементи кола, які мають тільки один параметр, називаються ідеальними. Ідеальне джерело ЕРС має тільки параметр Е (величина ЕРС - рис. 1.3, а), ідеальне джерело струму - тільки параметр J (величина струму - рис. 1.3, в), ідеальний індуктивний елемент (ідеальна індуктивна котушка) - тільки параметр L (рис. 1.3, г), ідеальний ємнісний елемент (ідеальний конденсатор) - тільки параметр C (рис. 1.3, д); тільки один параметр опору R має резистивний елемент (резистор) (рис. 1.3, е).
|
С |
|
R |
|
L |
Джерела електричної енергії розділяють на джерела ЕРС і джерела струму, схеми заміщення яких показані на рис. 1.4. Властивості джерела електричної енергії визначаються його вольт-амперною (зовнішньою) характеристикою - залежністю вихідної напруги від струму U(I).
|
RH |
|
b |
|
|
Рис.1.4 - Схеми заміщення джерел ЕРС (а) і струму (б)
Якщо в схемі кола внутрішній опір джерела електричної енергії Re малий у порівнянні з опором навантаження Rh, то справедлива нерівність Re I << E. У цьому випадку напруга між виводами джерела електричної енергії практично не залежить від струму, тобто U = Е = const, і джерело називається джерелом ЕРС.
Джерело з малим внутрішнім опором можна замінити ідеалізованою моделлю в якій Re = 0. Таке джерело називають ідеальним джерелом ЕРС з одним параметром Е = U. Напруга на вихідних затискачах ідеального джерела ЕРС не залежить від струму, а його зовнішня характеристика має вигляд прямої U = Е = const (рис. 1.5,а).
|
Якщо в схемі кола внутрішній опір джерела електричної енергії на багато разів більше опору навантаження (R0 >> RK), то його струм I = E/(R0 + RK) ~ ~E/R0 = J = const не залежить від опору навантаження і джерело називається джерелом струму. |
|
Джерело з великим внутрішнім опором можна замінити ідеалізованою моделлю, в якій R0 = да і E = да і для якої є справедливим вираз E/R0 = J. Таке джерело називають ідеальним джерелом струму з одним параметром J. Струм джерела струму не залежить від напруги на його вихідних затискачах, а його зовнішня характеристика має вигляд прямої I=J = const (рис. 1.5,б). |
|
Графічне зображення електричного кола за допомогою умовних позначень його елементів називають схемою кола. На рис. 1.6, як приклад, наведено схему найпростішого електричного кола постійного струму, що складається з джерела (акумуляторної батареї) Е з внутрішнім опором R0, амперметра РА, вимикача S і приймача (електричної лампочки HL). Вивчення властивостей електричного кола і його елементів з урахуванням усіх параметрів є досить складним, тому для спрощення аналізу реальне коло представляють його моделлю - набором ідеальних елементів. |
|
Графічне зображення кола, в якому замість реальних представлені ідеальні елементи, нази - HL вають схемою заміщення кола. Ідеальні елементи в схемі заміщення дозволяють врахувати параметри, які суттєво впливають на фізичні процеси в колі. Параметри реальних елементів, що не мають істотного впливу на фізичні процеси, при цьому не враховують. Той самий елемент кола може бути зображений різними схемами заміщення залежно від того, для яких цілей ця схема призначена. Наприклад, індуктивну котушку в колі постійного струму для врахування її нагріву подають у схемі заміщення тільки одним резистивним елементом. Але при вивченні фізичних процесів у котушці із змінними струмами її представляють послідовно з'єднаними резистивним і індуктивним ідеальними елементами. А у випадку роботи котушки в колах високої частоти для неї складають схему заміщення з резистивного, індуктивного і ємнісного елементів. При розробці проектної і конструкторської документації на електрообладнання застосовують електричні схеми, які, на відміну від схем заміщення, виконують в строгій відповідності до чинних на даний момент часу стандартів, |
наприклад, стандартів ЄСКД - Єдиної системи конструкторської документації. При розробці стандартів на правила оформлення графічних документів ураховують рекомендації міжнародних організацій: ІСО (Міжнародна організація із стандартизації), МЕК (Міжнародна електротехнічна комісія) та ін. Розрізняють схеми електричні принципові, структурні, функціональні, монтажні.
Як приклад на рис. 1.7 показана схема заміщення кола змінного струму, що складається з джерела змінної ЕРС е, опору проводів лінії електричного живлення Дл і паралельно з’єднаних споживачів електричної енергії (конденсатор C і освітлювальна лампа HL).
Частину кола, що має два полюси, називають двополюсником. Розрізняють двополюсники активні (що містять джерела) і пасивні (що не містять джерела).
З'єднання елементів кола, при якому по всіх ділянках проходить той самий струм, називають послідовним з'єднанням. Будь-який замкнутий шлях, що проходить по декількох послідовно з’єднаних ділянках, називають контуром електричного кола.
Ділянку кола, уздовж якої в будь-який момент часу струм має одне і теж значення, називають гілкою, а місце з'єднання трьох або більшого числа гілок - вузлом.
r З'єднання, при якому дві
а — c або більше гілки приєднані до
|
С |
|
HL |
|
Дл |
|
Рис.1.7 - Схема кола змінного струму |
однієї пари вузлів, називають паралельним з’єднанням. Електричне коло з паралельними і послідовними гілками називають розгалуженим колом. Розгалужене коло - це багатокон - турне коло. Коло, показане на рис. 1.6 - одноконтурне, а коло на рис.1.7 - двоконтурне.
Для однозначності опису процесів, що відбуваються в якому-небудь елементі кола, необхідно знати не тільки величини його струму й напруги, але також їхні напрямки в певний момент часу. Один з двох можливих напрямків струму в елементі беруть за основний і вказують його на схемі стрілкою. Стрілки, поставлені на схемах, вказують позитивні напрямки ЕРС, напруг і струмів. Якщо значення цих величин від’ємні, то їхні дійсні напрямки протилежні вказаним на схемі стрілками.
