Елементи електричних кіл і їхні графічні зображення

Електричне коло, залежно від характеру протікаючого в ньому струму на­зивають: «електричне коло постійного струму»» або «електричне коло змін­ного струму»». Якщо потрібне уточнення, тоді говорять «електричне коло си­нусоїдального (несинусоїдального) струму».

Аналогічно називають і елементи кіл: «електрична машина постійного струму», «електрична машина змінного струму», «джерело постійного струму», «приймач змінного струму» і т.ін.

Елементи кіл і створені з них електричні кола також поділяють 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 кіль­кістю джерел електричної енергії - кола з одним і кількома джерелами електри­чної енергії. Зустрічаються ще інші найменування кіл.

Електричне коло, що складається з лінійних елементів, називають ліній­ним колом. Електричне коло, до якого входить хоча б один нелінійний еле­мент, називають нелінійним колом. Розрахунок режимів нелінійних кіл досить громіздкий, тому, для спрощення, його виконують на лінійних ділянках харак­теристик нелінійних елементів (ділянка а-b характеристики 2 на рис.1.2).


кола (оборотний процес). Щоб ха­рактеризувати ці властивості, вво­дять поняття параметрів елемента. Розрізняють наступні параметри елемента кола: опір, індуктивність і ємність.

Опір (R) - параметр, що характеризує здатність елемента поглинати енер-

гію з електричного кола й перетворювати її на інші види енергії (теплову або світлову). Відомо, що потужність (Р, р) перетворення електричної енергії про­порційна квадрату струму (I , 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.

Здатність 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 (у, щ) певного 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 щ другого елемента (перший індекс), що зумовлене 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 = MI1 або

Ємність (C) - параметр, що характеризує здатність елемента накопичу­вати заряди або збуджувати ними електричне поле. Цей параметр є коефіцієн­том пропорційності між напругою і зарядом елемента: q = CU.

У загальному випадку будь-який реальний пристрій має всі 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 замкненому колі - характеризують його електрорушійною силою (ЕРС). Величина ЕРС (Е, е) дорівнює тій енергії, що набуває позитивного заряду завбільшки 1 Кл, переміщуючись по джерелу під дією сторонніх сил. Якщо за час dt джерелом змінного струму проходить заряд dq = i dt, то енергія, що розвивається джерелом, dW = edq = eidt і мит­тєва потужність р = dW/dt = e i. Для джерела постійного струму енергія і по­тужність, що розвиваються, відповідно дорівнюють: W = EIt та Р = EI.

Проходження струму джерелом супроводжується втратою енергії усере­дині джерела на нагрівання. Ці втрати характеризують параметром опору R. Тому параметр опору поряд з ЕРС є важливим параметром джерела. У певних 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 належать усі джерела електричної енергії і деякі приймачі, при описі процесів у яких не можна обмежитися тільки пасивними параметрами (акумулятори при зарядженні, двигуни постійного струму та ін.).

Елементи кола, які мають тільки один параметр, називають 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).

Рис. 1.3 - Графічні позначення ідеальних елементів: джерело ЕРС постійного струму (а), джерело ЕРС змінного струму (б), джерело струму (в), індуктивність (г), ємність (д), резистор (е)

Джерела електричної енергії поділяють 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) .


Рис.1.4 - Схеми заміщення джерел ЕРС (а) і струму (б)

Якщо в схемі кола внутрішній опір джерела електричної енергії Я0 малий порівнянно з опором навантаження Ян, то справедлива нерівність Я0 I << E. У цьому випадку напруга між виводами джерела електричної енергії практично не залежить від струму, тобто U = Е = const, і джерело називають джерелом ЕРС.

Джерело з малим внутрішнім опором можна замінити ідеалізованою мо­деллю в якій Я0 = 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 значно більший опору навантаження (Я0 >> Ян), то його струм

I = Е/(Я0 + Ян) ~ Е/Я0 = J = const не залежить від опору навантаження і джерело називається

Джерело з великим внутрішнім опором можна замінити ідеалізова­ною моделлю, в якій Я0 = да і Е = да і для якої є справедливим вираз Е/Я0 = 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. Елементи електричних кіл на схемах зо­бражають за допомогою умовних графічних позначень. Схеми дозволяють отри­

мати наочне уявлення щодо структури електричного кола, порядку з'єднання його елементів.

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).

Ідеальні елементи у 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. Наприклад, для урахування необоротного процесу поглинання енергії еле­ментом кола до схеми заміщення вводять резистивний елемент. Індуктивні і ємнісні елементи вводять до схеми заміщення в тому випадку, коли хочуть ура­хувати вплив магнітного або електричного поля.

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 резис-тивним 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 застосовуються електричні схеми, які, на відміну від схем заміщення, виконують у повній відповідності з чинними на певний момент часу стандарта­ми, наприклад, стандартами 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 дротів лінії електричного жив­лення Дл і паралельно з'єднаних споживачів електричної енергії (конденсатор C і освітлювальна лампа HL).

Джерело живлення утворює внутрішню ділянку кола, а приймачі разом із сполучними проводами - зо­внішню ділянку кола, або просто зовнішнє коло. Затис­качі (полюси) а й b джерела, до яких приєднують зовніш­нє коло, називають вихідни­ми затискачами (полюсами) джерела. Затискачі а й b од­ночасно є і вхідними затис­качами зовнішнього кола.

У деяких випадках зовнішнє коло розбивають на дві характерні ділянки: лінію електропередачі (сполучні проводи) і споживач електричної енергії (елек-троприймач). На рис. 1.7 ділянки a-c і b-d утворюють лінію електропередачі з опором 2Дл , а ділянка c-d з підключеними конденсатором С і лампою розжарю­вання HL є електроприймачем. У цьому разі затискачі c-d - це вхідні затискачі електроприймача.

Затискачі зовнішнього кола, за допомогою яких його приєднують до про­водів, що йдуть від джерела, називають вхідними затискачами (полюсами) зо­внішнього кола.

Частину кола, що має два полюси, називають двополюсником. Розрізня­ють двополюсники активні (що містять джерела) й пасивні (що не містять джерела).

З'єднання елементів мережі, при якому сила струму на всіх ділянках од­накова, називають послідовним з'єднанням. Будь-який замкнений шлях, що проходить кількома послідовно з' єднаними ділянками, називають контуром електричного кола..

Ділянку кола, уздовж якої на будь-який момент часу струм має однакове значення, називають гілкою, а місце з'єднання трьох або більшої кількості гілок - вузлом.

З'єднання, при якому дві або більше гілки приєднані до однієї пари вуз­лів, називають паралельним з'єднанням. Електричне коло з паралельними і по­слідовними гілками називають розгалуженим колом. Розгалужене коло - це багатоконтурне коло. Коло, показане на рис. 1.6 - одноконтурне, а коло на рис.1.7 - двоконтурне.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я