Основные законы электрической цепи. Электрическая схема замещения.

     Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи и преобразования в другие виды электрической энергии. Она состоит из источника и приемника электрической энергии, связанных соединительными проводами. В источниках в электрическую энергию преобразуются другие виды энергии, например энергия падающей воды – в гидрогенераторах, химическая – в гальванических элементах. На промышленных предприятиях источником является подстанция предприятия.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, например в механическую – в двигателях, в тепловую – в нагревательном и сушильном оборудовании, в световую – в осветительной аппаратуре. Кроме этих элементов цепь включает в себя коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру. Эти устройства служат для управления и контроля за работой цепи, а также для защиты ее элементов от перегрузок.

В зависимости от рода тока, протекающего в цепях, они подразделяются на цепи постоянного и переменного токов, в зависимости от способа соединения элементов цепей – на неразветвленные и разветвленные, а в зависимости от числа источников энергии – на цепи с одним или несколькими источниками.

Элементы, входящие в цепь, подразделяются по виду вольт-амперных характеристик, которые выражают зависимость тока, протекающего по элементу, от напряжения на нем. Элементы цепей, вольт-амперные характеристики которых линейны, называются линейными, а элементы, вольт-амперные характеристики которых нелинейны, называются нелинейными. Электрическая цепь, составленная из линейных элементов, называется линейной. Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной.

Электрическая схема –это графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов.

Существуют около полутора десятка различных видов электрических схем (принципиальные, монтажные и др.), из всего разнообразия которых мы будем пользоваться только схемами замещения.

Схема замещения –эти схема электрической цепи, в которой вместо реальных элементов используются их идеализированные математические модели, с необходимой точностью отражающие реальные физические процессы, которые протекают в электрической цепи (например, катушка индуктивности, обычно, представляется схемой замещения, состоящей из последовательно соединённых индуктивного и резистивного элементов, где первый описывает магнитные процессы, а второй––потери на активное сопротивление провода обмотки).

Важно понять, что в электротехнике рассматриваются исключительно математические модели, которые с необходимой точностью описывают процессы, протекающие в реальной электрической цепи.

В электротехнике выделяют пять основных элементов схемы замещения, которые делятся на две группы–пассивные и активные.

К пассивным элементам относятся те, в которых происходит преобразование энергии электрического тока в другие виды энергии.

К пассивным элементам относятся резистивный(характеризует процесс необратимого преобразования энергии источника питания в другие виды энергии), индуктивный(обратимого преобразования энергии источника питания в энергию магнитного поля) и емкостного (обратимого преобразования энергии источника питания в энергию электрического поля)

К активным элементам относятся те, в которых происходит преобразование различных видов энергии в энергию электрического тока. К активным элементам относятся источник ЭДС (активный элемент, напряжение на выводах которого не зависит от протекающего через него тока) и источник тока(активный элемент, в котором протекающий через него ток не зависит от падения напряжения на его выводах).

Элементы электрических цепей различным образом соединяют между собой. В реальных электрических цепях есть резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы. В схемы замещения реальных деталей входят все три идеальных элемента, но количественно значения их параметров существенно различны.

Для проведения анализа электрической цепи важно знать такие понятия:
Ветвь – участок электрической цепи, образованный последовательно соединёнными элементами и характеризующийся собственным значением тока в данный момент времени.

Узел – это точка соединения трёх и более ветвей (если на электрической схеме в месте пересечения двух линий стоит точка, то в этом месте есть электрическое соединение 2х линий, в противном случае его нет).

Контур – замкнутая часть цепи, состоящая из нескольких ветвей и узлов. Различают такие понятия, как геометрический и потенциальный узел.

Также важно знать два закона Кирхгофа.
     Первый закон Кирхгофа сформулирован для узла.

Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю:

∑I = 0

I₁ + I₂ + I₃ =0

Второй закон Кирхгофа относится к контуру. Алгебраическая сумма напряжений на приемниках в любом контуре равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом же контуре:

U₁ + U₂ = E

R₁ · I₁+ R₂ · I₂ = 0

При составлении уравнений для расчёта токов в схемах с помощью законов Кирхгофа необходимо придерживаться следующего алгоритма:

1) Произвольно задаются положительные направления токов.

2) Произвольно задаются положительные направления обхода контуров (с целью единообразия рекомендуется для всех контуров положительные направления обхода выбирать одинаковыми, например, по часовой стрелке).

3) Составляют уравнения по первому закону Кирхгофа. Число таких уравнений должно быть на единицу меньше числа узлов.

4) Недостающие уравнения составляют по второму закону Кирхгофа, при этом учитывают, чтобы в каждый новый контур входила, хотя бы одна новая ветвь, не вошедшая в предыдущие контуры, для которых записаны уравнения.

5) Решая полученную систему уравнений, находим неизвестные токи. Если какой - то ток или несколько токов, оказались отрицательными, то это значит, что действительное направление этих токов противоположно выбранному.