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.