2 Элементы цепей и основные законы электрических цепей

В теории электрических цепей различают активные и пассивные элементы.

Двухполюсник - участок электрической цепи, который можно подсоединять к другим ее участкам только двумя точками (зажимами), которые называются полюсами.

Рисунок 2.1 Условное графическое обозначение активного (А) и пассивного (П) двухполюсников

2.1 Пассивные элементы

Внешняя цепь, нагрузка или приёмник электрической энергии - часть электрической цепи, которая подключена к зажимам источника. В нагрузке энергия электрического поля преобразуется в другие виды энергии (тепловую, звуковую, механическую и др.). Приёмники энергии являются пассивными элементами.

Пассивные элементы – это сопротивление, ёмкость, индуктивность.

В теории электрических цепей рассматриваются пассивные элементы: сопротивление – это идеальный элемент цепи, характеризующий потери энергии на нагрев, механическую работу или излучение электромагнитной энергии.

Единицы измерения сопротивления – Ом проводимость – величина, обратная сопротивлению.

Единицы измерения проводимости – Сименс

Мощность, выделяемая на сопротивлении, всегда положительна. Мгновенная мощность равна:

Единицы измерения мощности – Ватт

Сопротивления делятся на: линейные и нелинейные.

Линейное сопротивление – сопротивление, которое не зависит от величины, направления тока и величины напряжения. Оно имеет прямую пропорциональную зависимость между напряжением и током, выражающееся законом Ома.

Рисунок 2.2 Условное обозначение сопротивления

Индуктивность – идеализированный элемент электрической цепи, способный накапливать энергию магнитного поля, причем накопление энергии электрического поля и преобразование её в другие виды энергии в нём не происходит. Связь между током и напряжением на зажимах индуктивности определяется из закона электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока, пронизывающего витки катушки индуктивности, на её зажимах образуется ЭДС прямо пропорциональная скорости изменения потокосцепления и направленная таким образом, чтобы вызываемый ток препятствовал изменению магнитного потока.

Для катушки, состоящей из витков, справедливо равенство:

;

где – потокосцепление, т. е. суммарный магнитный поток, который сцеплен с витками. – магнитный поток одного витка.

Единица измерения магнитного потока и потокосцепления – Вебер (Вб).

Коэффициент пропорциональности между и называется индуктивностью, и, обозначается . Единицы измерения индуктивности – Генри . Из формулы получим выражение для напряжения на индуктивном элементе:

Энергия, которая накапливается в индуктивном элементе, вычисляется по формуле:

Для постоянного тока , поэтому напряжение , т. е. индуктивность эквивалентна короткому замыканию. Физический аналог индуктивности – катушка индуктивности, эквивалентная схема которой изображена на рисунке 2.3.

Катушка индуктивности – устройство, основным свойством которого является индуктивность (кроме индуктивности , обладает сопротивлением потерь ).

Рисунок 2.3 Условное графическое обозначение катушки индуктивности

Ёмкость – идеализированный элемент электрической цепи, способный запасать энергию электрического поля. При этом накоплении энергии электрического поля преобразование электрической энергии в тепловую в нем не происходит. Свойства емкостного элемента обусловлены возможностью накопления в нем электрического заряда , пропорционального напряжению на элементе:

Коэффициент пропорциональности называется емкостью, измеряется в Фарадах .

Из формулы найдем связь между током и напряжением для линейной емкости :

Энергия, которая накапливается в линейной емкости, вычисляется по формуле:

В отличие от сопротивления идеальные реактивные элементы не рассеивают, а накапливают электрическую энергию и могут возвращать ее в цепь или источник. Мощность реактивных элементов , называется мгновенной реактивной мощностью и измеряется в вольт – амперах реактивных (Вар).

Для постоянного напряжения ток , т. е. емкость эквивалентна разрыву цепи (холостому ходу). Физический аналог емкости – конденсатор. Конденсатор - устройство, основным свойством которого является электрическая емкость; кроме емкости он обладает сопротивлением утечки

Рисунок 2.4 Условное графическое изображение конденсатора