Электрическая цепь и ее элементы, законы

Электрическая цепь это группа различных электротехнических устройств и приборов, соединенных в какой-то последовательности, которые подходят для протекания электрического тока.

Обязательными элементами электрической цепи (ЭЦ) должны быть: источник тока, нагрузка и проводники. Именно три этих элемента образуют самую простую ЭЦ.

В состав более сложных ЭЦ могут входить и другие разнообразные элементы и приборы, например, устройства коммутации и защиты.

Как известно из предыдущих лекций, для возникновения тока требуется соединить две точки, одна из которых обладает избыток свободных электронов в сравнении с другой. Другими словами необходимо получить разность потенциалов или напряжение между этими двумя точками. Как раз для поучения в цепи напряжения и используется источник тока. Им в электрической цепи могут являться такие электротехнические приборы как генераторы, аккумуляторные или химические батареи и т.п.

Нагрузкой в электрической цепи является абсолютно любой потребитель электрической энергии. Нагрузка оказывает какое-то сопротивление прохождению электрическому току и от номинала сопротивления нагрузки зависит и значение протекающего тока. Ток от источника напряжения к нагрузке следует по проводникам. В качестве проводников применяют материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото).

Электрическая цепь и ее типы

Все элементы электрической цепи можно условно поделить на две различные группы: пассивные элементы или резисторы и активные, источники электромагнитной энергии.

Резистор, он-же пассивный элемент, описывается величиной, называемой электрическим сопротивлением R. Иногда при расчете на практике применяют другую величину, обратное сопротивлению: его назвали проводимостью G

Резистор, пассивный элемент электрической цепи

Сопротивление резистора R, напряжение на его зажимах UR и ток через резистор IR связаны между собой, в соответствии с законом Ома

Под активными элементами понимают любые источники электрической энергии, такие как источники напряжения и тока.

Источник напряжения описывается в электротехнике двумя параметрами: величиной электродвижущей силы (ЭДС) Е и внутренним сопротивлением r.

Источник напряжения схема

Напряжение на зажимах источника напряжения отличается от величины ЭДС E на значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Для идеального случая, когда I = 0, будет абсолютно верно U = E.

Источник тока, также описывается двумя этими же параметрами. На принципиальных схемах отображается следующим образом.

Источник тока обозначение на схеме

В некоторых случаях, при решении различных задач появляется необходимость трансформировать источник тока в источник напряжения. Эти вычисления легко можно реализовать с помощью формул.

В электротехники в зависимости от вида соединения различают следующие ЭЦ: последовательные, параллельные и смешанные.

В последовательной электрической цепи все элементы соединяются последовательно относительно друг друга, т.е конец первого устройства, с началом второго и т.д

При таком типе соединения ток может идти только одним путем от источника к нагрузке, поэтому общий ток, равен току в каждом участке ЭЦ:

Iобщ = I1=I2=I3

Падение напряжения на всем участке цепи определяется суммой падений напряжений, на каждом участке цепи:

E = U1+U2+U3

В параллельной ЭЦ , это когда все начальные и конечные выводы ЭЦ соединены вместе, смотри рисунок:

При таком варианте включения схемы у тока есть три вариантра маршрута, а общий ток вычисляется из суммы токов отдельных участков цепи, в данном случае трех:

Iобщ=I1+I2+I3

Падение напряжения на всех отдельных элементах будет равно приложенному напряжению к о всей цепи:

E=U1=U2=U3

Последовательно-параллельная электрическая цепь На самом деле в ней нет ничего сложного, и она состоит всего лишь из комбинации двух рассмотренных выше вариантов:

Расчет простых электрических цепей

К простым относятся ЭЦ, которые имеют в своем составе либо один источник, либо несколько, но находящихся в одной ветви ЭЦ.

Первая схема содержит один источник питания, поэтому точно относится к простым цепям. Вторая имеет два источника, но они расположены в одной ветви.

В первой схеме: Сначала осуществляют упрощение схемы последовательно преобразуя все пассивные компоненты ЭЦ в одно эквивалентное сопротивление. Для этого требуется выделить участок схемы, на которых сопротивления соединены последовательно или параллельно, и по рассмотренным выше формулам заменить их эквивалентными сопротивлениями. ЭЦ постепенно упрощают и подводят к наличию в цепи одного эквивалентного резистора.

Во втором варианте подобную процедуру осуществляют с активными элементами(источниками тока). По аналогии с предыдущим абзацем упрощаем до тех пор, пока не получим в схеме всего один эквивалентный источник напряжения.

В итоге мы должны получить простую ЭЦ следующего вида:

Теперь необходимо использовать закон Ома и фактически вычислить значение тока протекающего через источник электрической энергии.

Теперь поэтапно полученную эквивалентную схему преобразовывают к первоначальному виду. После каждого обратного преобразования схемы применяют законы Ома и Кирхгофа определяют токи и напряжения на каждом участке цепи. По окончании преобразования получаем полный расчет электрической цепи.

Пример расчета электрической цепи из курса общей электротехники

Пример 1:

Пример 2: