Электрические цепи постоянного тока.
Основными элементами установок являются источники и приемники электрической энергии, а также преобразовательные устройства. Электрическая цепь – это совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, ее приемников и соединяющих их проводов (линия передачи). Источники электрической энергии – это устройства, в которых происходит преобразование различных видов энергии в электрическую. Приёмник – это устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в другой вид энергии для ее использования. Источники питания образуют внутренний участок цепи, а приемники – внешний. Эти участки отделяются полюсами.
Электродвижущая сила источника и напряжение. Электрический ток. Закон Ома
ЭДС – это полная энергия, которую источник может расходовать на перемещение каждого единичного заряда по всей замкнутой цепи. Численно ЭДС равна отношению электрической мощности источника к его электрическому току. В цепях постоянного тока ЭДС прямо пропорциональна мощности и обратно пропорциональна силе тока.
где E – ЭДС источника, В;
P – активная мощность, Вт;
I – сила тока, А.
ЭДС
и напряжение измеряются в вольтах (В).
Для измерения ЭДС и напряжения используются
вольтметр. Электрический ток – это
направленное движение электронов в
проводнике под действием электрического
поля. Сила тока – это количество заряда,
проходящего через поперечное сечение
проводника в единицу времени. 
где t – время прохождения тока.
Величина силы тока измеряется в амперах (А). За положительное направление электрического тока принято движение положительного заряда (т.е. от + источника к -).
На ряду с силой тока при расчетах электрических цепей используется плотность тока J – отношение силы тока I к площади поперечного сечения S проводника:
где S – площадь поперечного сечения, мм2.
Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2. Плотность тока характеризует способность проводника выдерживать требуемую нагрузку.
где R – сопротивление, Ом.
Данное выражение называется законом Ома для участка цепи, не содержащего источника энергии: сила тока участка цепи прямо пропорциональна падению напряжения на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
Закон Ома для полной цепи: сила тока в цепи пропорциональна ЭДС и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи. Полное сопротивление содержит внешнюю R и внутреннюю r цепь источника ЭДС:
где r – внутреннее сопротивление источника, Ом.
Электрическое сопротивление и проводимость
Прохождению электрического заряда в проводнике препятствуют молекулы и атомы. Это противодействие называется сопротивлением. Сопротивление обозначается буквой R и выражается в омах (Ом). Сопротивление проводника зависит от его геометрических параметров и выражается формулой
где ρ – удельное сопротивление Ом*мм2/м;
l – длина проводника, м;
S – площадь поперечного сечения, мм2.
Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью. Проводимость – это способность проводника пропускать через себя электрический ток.
Единица проводимости (g) – сименс (См).
Величина сопротивления проводников зависит также и от температуры. В пределах 0-100С эта зависимость выражается формулой
𝑅2 = 𝑅1 +𝑅1𝛼(𝑇2 −𝑇1),
где R1 – начальное сопротивление проводника при температуре T1;
R2 – конечное сопротивление проводника при температуре T2;
α – температурный коэффициент сопротивления, 1/°С.
Тепловое действие тока.
Электрический ток, проходя по проводам или другим электротехническим устройствам нагревает их. Причиной нагрева является столкновения электронов друг с другом и с ионами проводника. Чем больше ток, тем больше скорость движения электронов, тем большую энергию они имеют. Поэтому при ударах они отдают частицам проводника большую энергию. Энергия электрического тока преобразуется в тепловую. Количественное соотношение этого преобразования отражает закон Джоуля – Ленца. Он формулируется так: количество тепла, выделяемого током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени прохождения тока
Q = I2Rt,
где Q – количество тепла, Дж;
I – сила тока, А;
R – сопротивление проводника Ом;
t – время, с.
Электрические цепи
В цепях постоянного тока электродвижущая сила ЭДС, ток и напряжение не изменяются с течением времени. Любая электрическая цепь характеризуется наличием ветвей, узлов и контуров.
Ветвь – это участок цепи, вдоль которого проходит один и тот же ток и который состоит из последовательно соединенных элементов.
Узел – место соединения трех и более ветвей.
Контур – любой замкнутый путь цепи, который можно обойти, двигаясь по ее ветвям.
Режимы работы электрических цепей
Режимы работы определяются соотношением сопротивлений внешней и внутренней цепей, т.е. между сопротивление нагрузки и внутренним сопротивлением источника (RH , R)
Рисунок 1 – Простейшая электрическая цепь
Различают:
Номинальный режим – это режим, при котором напряжение, ток и потребляемая приемником мощность соответствует расчетным значениям, полученным в процессе проектирования. Он гарантирует оптимальные параметры источника питания, высокий КПД, надежность и долговечность
Согласованный режим наступает при равенстве сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника (R = RH). В этом случае мощность Pпр, потребляемая приемником, достигает своего максимального значения и равна мощности потерь ΔP в источнике. В этом режиме КПД ниже, чем в номинальном режиме.
Режим холостого хода наступает при отключениеи приемника от источника. Сопротивление внешней части цепи при этом RН = ∞, тогда ток в цепи I = 0, а следовательно, и URH = Е. Мощность источника Pх.х. и мощность приемника Pпр. в режиме холостого хода: Pх.х.= Pпр.=0. В этом режиме КПД источника η=1.
Режим короткого замыкания наступает, когда сопротивление приемника становится равным нулю (RН = 0). Следствием этого явления может быть замыкание между выводами внутри приемника или пробой изоляции между соединительными проводами. В любом случае ток пройдет по участку с нулевым сопротивлением и, как результат, достигнет максимального значения, напряжение на выводах приемника источника 𝑈RH = 0. Ток короткого замыкания может в десятки и сотни раз превышать номинальный ток цепи, что может вызвать тепловые и механические повреждение ее отдельных элементов. По этой причине в электрической цепях необходимо использовать плавкие предохранители.
Работа и мощность электрической цепи.
Работа по перемещению электрического заряда за время t в источнике определяется
А = Еq
Зная, что
q = It
Работа источника или энергия, полученная за счет преобразования, например, механической энергии в электрическую определяется
A =W = EIt
Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность источника определяется:
Для приемника:
Мощность обозначается буквой Р и измеряется в ваттах (Вт). Электрическая работа измеряется в джоулях (Дж)
Последовательное и параллельное соединение резисторов
Вспомним свойства данных соединений
