Вступ. Загальні положення
1.Основні визначення.
2.Величини електричного кола.
3.Параметри електричного кола.
4.Елементи електричного кола.
1.Основні визначення.
1.Електричне коло – це сукупність пристроїв, що генерують, передають, перетворюють та споживають електричну енергію.
2.Пристрої, призначені для генерування електричної енергії, називають джерелами електричної енергії, або джерелами живлення, або джерелами електрорушійної сили (ЕРС), або джерелами струму.
Джерела живлення бувають:
- машинні (генератори постійного та змінного струму);
- електростатичні (хімічні, сонячні, атомні та інші).
3.Пристрої, що споживають електричну енергію, називаються приймачами електричної енергії або навантаженням.
Приймачами електричної енергії можуть бути:
- провідні електродвигуни різних типів;
- лампи розжарювання, нагрівальні та освітлювальні прилади;
- електрохімічні та радіотехнічні прилади тощо.
4.Перетворювачі електричної енергії можуть розглядатися для різних сторін електричного кола як джерела або як споживачі енергії (наприклад, трансформатори).
5.Кожний пристрій електричного кола має назву елемента електричного кола.
6. Графічне зображення кола називається електричною схемою.
Для кожної електричної схеми існує поняття вузла, вітки і контуру.
Вузол – точка з’єднання трьох або більше елементів кола.
Іноді вводиться поняття умовного вузла, в якому з’єднуються два елементи електричного кола.
Вітка – ділянка кола між двома вузлами.
Контур – замкнутий шлях обходу віток.
Електричні кола можуть бути простими і складними. До простих відносяться кола з одним джерелом живлення (або кількома джерелами в одній вітці); до складних – кола з двома або більше джерелами живлення в різних вітках.
Позначення деяких елементів електричних кіл на схемах:
Найпростіше коло складається з джерела енергії з ЕРС Е, приймача електричної енергії або кажуть навантаження з опором R та з’єднувальних проводів. Частина кола, що включає з’єднувальні проводи і навантаження є зовнішнім колом джерела.
2.Величини електричного кола.
1.До величини електричного кола належать:
- електричний струм;
- напруга на елементах;
- електрорушійна сила.
Електричний струм – це спрямований рух носіїв електричних зарядів.
Прийняті позначення:
І – сила постійного струму;[ А] Ампер
і – миттєве значення змінного струму. [ А] Ампер
Напруга – це енергія, яку витрачає кожний електричний заряд у приймачі електричної енергії.
Прийняті позначення:
U – постійна напруга; [U] Вольт
u – миттєве значення змінної напруги.[U] Вольт
Електрорушійна сила(ЕРС) – це енергія, яку одержує кожний електричний заряд у джерелі електричної енергії.
ЕРС позначається так:
Е – постійна ЕРС; [U] Вольт
е – миттєве значення змінної ЕРС.[U] Вольт
Умовно – додатні напрями струму, напруги та ЕРС визначаються так:
- умовно–додатний напрям струму – це напрям руху позитивних зарядів (далі – додатний напрям струму, або напрям струму);
- умовно–додатний напрям напруги – це напрям зменшення потенціалу (далі – додатний напрям напруги, або напрям напруги);
- умовно–додатний напрям ЕРС - це напрям дії сторонніх сил у джерелі живлення (далі – додатний напрям ЕРС, або напрям ЕРС).
Умовно – додатні напрями струму та ЕРС джерела збігаються. Умовно – додатні напрями струму та напруги на елементах споживача збігаються. Умовно – додатні напрями струмів, напруг та ЕРС на схемах позначаються стрілками.
3.Параметри електричного кола.
1.До параметрів електричного кола належать:
- опір ;
- ємність;
- індуктивність;
- взаємна індуктивність.
Опір R = [Ом] характеризує спроможність елемента перетворювати електричну енергію на тепло. Інколи замість поняття опору вживається поняття провідності.
Ємність С= [Ф] Фарад характеризує спроможність елемента накопичувати електричні заряди ( тобто збуджувати електричне поле).
Індуктивність L= [Гн] Генрі характеризує спроможність елемента збуджувати магнітне поле (перетворювати електричну енергію на магнітне поле).
Взаємна індуктивність М= [Гн] Генрі характеризується впливом індуктивних параметрів один на одного.
4.Елементи електричного кола.
У загальному випадку кожний реальний елемент має R, L та C. Інколи є можливість обмежитися лише одним параметром. Такі елементи, що мають тільки один параметр, називаються ідеальними.
Наприклад, ідеальне джерело має тільки Е, ідеальний опір – тільки R тощо.
Елементи електричного кола бувають активними та пасивними. Якщо роботу елемента описують за допомогою поняття параметрів (R, L, C та М), цей елемент – пасивний. Якщо для опису роботи елемента потрібно вживати поняття величини електричного кола (I, U, E), то цей елемент – активний.
До активних елементів належать усі джерела живлення та деякі приймачі (акумулятори, двигуни тощо).
Джерела живлення утворюють внутрішню ділянку, А приймачі зовнішню ділянку кола. Ці ділянки відокремлюються полюсами. Ділянка кола, відокремлена двома полюсами, має назву двополюсника. Якщо двополюсник містить хоча б один активний елемент, цей двополюсник активний. Пасивний двополюсник містить тільки пасивні елементи.
Як і двополюсник, ділянки кола також бувають активні та пасивні. Якщо напрями струму та напруги протилежні, ця ділянка працює у режимі живлення. Якщо напрямки струму та напруги збігаються, ця ділянка працює у режимі приймача електричної енергії.
Основні визначення, що використовуються під час аналізу електричних кіл:
Елемент електричного кола – окремий електротехнічний пристрій, який входить до складу електричного кола і який виконує у ньому певну функцію.
Джерело електрорушійної сили – джерело електромагнітної енергії, яке характеризується електрорушійною силою та внутрішнім опором.
Ідеальне джерело електрорушійної сили – джерело електрорушійної сили, внутрішній електричний опір якого дорівнює нулю і напруга якого не залежить від струму, що в ньому протікає.
Провідність (G) – величина, обернена до електричного опору.
Джерело струму – джерело електромагнітної енергії, яке характеризується струмом в ньому та внутрішньою провідністю.
Ідеальне джерело струму (J) – джерело струму, внутрішня провідність якого дорівнює нулю і струм якого не залежить від напруги на його затискачах.
Потенціал електричного поля (φ) – фізична скалярна величина, яка є енергетичною характеристикою взаємодії зарядів у даній точці поля та обчислюється як лінійний інтеграл вектора напруженості поля вздовж довільного шляху від фіксованої точки.
Різниця електричних потенціалів (U) – електрична напруга в безвихровому електричному полі, яка характеризується незалежністю від вибраного шляху інтегрування.
Спад напруг (U) – напруга на ділянці електричного кола чи елементі кола.
Електричний струм провідності (I) – явище направленого руху вільних носіїв електричного заряду у речовині чи вакуумі.
Сила струму провідності (I) – скалярна величина, яка характеризує величину струму провідності і дорівнює похідній у часі від електричного заряду, який переносять носії заряду через певну поверхню.Умовно за напрямок струму провідності приймають напрямок руху позитивних зарядів.
Електропровідність – властивість речовини проводити під дією незмінного у часі електричного поля незмінний у часі електричний струм.
Електричні кола, в яких створення електричної енергії у джерелах, її передача та перетворення у споживачах відбувається за сталих у часі струмах та напругах, зазвичай називають колами постійного струму.
Електричне коло створюється за допомогою з’єднання полюсів пасивних та активних елементів, які входять до його
складу та зображується у вигляді вузлів та віток.
Планарна схема електричного кола – схема електричного кола, яка на площині може бути зображена так, щоб вітки схеми не перетиналися.
Вітка електричного кола – ділянка електричного кола, по елементам якої протікає один і той самий струм.
Вузол електричного кола – місце з’єднання трьох чи більше віток електричного кола.
Електричне з’єднання – з’єднання ділянок електричного кола, внаслідок якого утворюється електричне коло.
Послідовне з’єднання – з’єднання, в якому через усі його елементи протікає один і той самий струм.
Паралельне з’єднання – з’єднання, в якому усі вітки з’єднуються з одною парою вузлів, тобто знаходяться під дією однієї і тієї самої напруги.
Шлях – сукупність віток, які з’єднують початковий та кінцевий вузли .
Контур – замкнутий шлях, в якому початковий та кінцевий вузли співпадають.
Незалежний контур – контур в якому дійсний струм його вітки дорівнює струму цього контуру .
Простим електричним колом називається коло, що складається з одного джерела електричної енергії та будь-якої кількості послідовно або паралельно з’єднаних споживачів енергії, які поступовим перетворенням можна звести до
одного еквівалентного опору.
Складним називають коло, в якому групи споживачів не можна звести до одного еквівалентного опору .
Електромагнітне поле (electromagnetic field) – вид матерії, що визначається в усіх точках двома векторними величинами, які характеризують дві його сторони, що називаються відповідно «електричне поле» та «магнітне поле», які чинять силовий
вплив на заряджені частинки, що залежать від їх швидкості і величини їх заряду.
Електричне поле (electric field) – прояв електромагнітного поля, що характеризується впливом на електрично заряджену частинку з силою, яка пропорційна заряду частинки і не залежить від її швидкості.
Магнітне поле (magnetic field) – прояв електромагнітного поля, що характеризується впливом на рухомі електричні заряджені частинки з силою, пропорційною заряду частинки та її швидкості.
Електрорушійна сила (electromotive force) – скалярна величина, якою характеризують здатність стороннього поля та індукованого електричного поля викликати електричний струм. Електромагнітна індукція (electromagnetic induction) – явище збудження
електрорушійної сили у провідному контурі внаслідок зміни зчепленого з ним магнітного потоку.
Магнітна індукція (magnetic flux density)B – векторна величина, якою характеризують інтенсивність магнітного поля за величиною сили, що діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля. Магнітна індукція чисельно дорівнює відношенню сили, що діє на заряджену частинку, до добутку заряду та швидкості частинки за умови, що напрямок швидкості такий, що ця сила максимальна і має напрямок, перпендикулярний до векторів сили і швидкості, який збігається з поступальним переміщенням правого гвинта в разі обертання його від напрямку сили до напрямку швидкості частинки із позитивним зарядом.
Магнітний потік (magnetic flux) – потік вектора магнітної індукції крізь поверхню, скалярна величина, що зображує магнітне поле у вигляді замкнутого вихрового матеріального потоку, зміни якого у часі (похідна у часі від магнітного потоку) дорівнює електрорушійній силі контуру, який охоплює цей потік.
Самоіндукція (self-induction) – електромагнітна індукція, викликана зміною зчепленого з провідним контуром магнітного потоку, який зумовлений електричним струмом цього контуру.
Взаємна індукція (conductivity) – електромагнітна індукція, викликана зміною зчепленого з провідним контуром магнітного потоку, який зумовлений електричними струмами в інших контурах.
Електричний опір (resistor) R – чинник теплового розсіювання електричної енергії, який визначають як відношення постійної напруги на ділянці електричного кола до постійного струму в ній в разі відсутності на ділянці ЕРС.
Електромагнітна енергія (electromagnetic energy) – енергія електромагнітного поля, яка є сумою енергій електричного та магнітний полів.
Резистор (resistor) – елемент електричного кола, призначений для використання його електричного опору (ДСТУ 2382).
Конденсатор (capacitor) – елемент електричного кола, призначений для використання його ємності (ДСТУ 2291).
Ємність конденсатора (capacitance of a capacitor) C – електрична ємність міжелектродами конденсатора, тобто частка від ділення заряду конденсатора на напругу на ньому.
Потокозчеплення (linkage flux) – сума, магнітних потоків, які охоплюють провідник елемента електричного кола, зокрема індуктивну котушку.
Потокозчеплення самоіндукції (linkage flux of self-induction) – потокозчеплення елемента електричного кола, викликане електричним струмом в цьому ж елементі.
Власна індуктивність (inductance) L – скалярна величина, яка дорівнює відношенню потокозчеплення самоіндукції елемента електричного кола до його струму.
Індуктивна котушка або котушка індуктивності (inductor) – елемент електричного кола, що являє собою сукупність витків, призначений для використання його індуктивності.
Потокозчеплення взаємної індукції (linkage flux of conductivity) – потокозчеплення елемента електричного кола, викликане електричним струмом іншого елемента кола.
Взаємна індуктивність (mutual inductance) M – скалярна величина, яка дорівнює відношенню потокозчеплення взаємної індукції одного елемента електричного кола до струму в іншому елементі, який викликає це потокозчеплення.
Електричне коло із зосередженими параметрами (lumped circuit) – електричне коло, якому резистори, індуктивності та електричні ємності вважають зосередженими на окремих ділянках цього кола, тобто яке можна подати скінченною
сукупністю ідеальних елементів.
Лінійне електричне коло – електричне коло, електричні параметри якого не залежать від значень та напрямків струмів і напруг кола.
Схема заміщення – схема електричного кола, яка відображає властивості кола за певних умов.
Еквівалентна електрична схема – електрична схема заміщення, в якій величини, що підлягають розгляду, мають ті ж значення, що й у вихідній схемі заміщення.
Зв’язані електричні кола – електричні кола, процеси у яких впливають один на одного через спільні магнітні чи електричні поля.
Гальванічний зв'язок (електричних кіл) – зв'язок кількох електричних кіл, зумовлений електричним полем у провідному середовищі.
Індуктивний зв'язок (електричних кіл) – зв'язок кількох електричних кіл,зумовлених магнітним полем.
Активний електричний опір (resistance)R – параметр електричного кола синусоїдного струму чи його елемента, що характеризує здатність теплового розсіювання електричної енергії і який визначають як відношення активної потужності, що поглинається пасивними елементами цього електричного кола, до квадрату діючого струму на вході цього кола чи елемента.
Активна провідністьG – величина, обернена до активного електричного опору.
Повний електричний опір або імпеданс Z – параметр електричного кола синусоїдного струму чи його елемента, який дорівнює відношенню діючої напруги на затискачах пасивного електричного кола до діючого струму на вході цього кола за синусоїдних напруги та струму.
Повна електрична провідність опір або адмітансY – параметр електричного кола синусоїдного струму чи його елемента, який дорівнює відношенню діючого струму на вході пасивного електричного кола до діючої напруги на його затискачах за синусоїдних напруги та струму.
Реактивний опір або реактансX - параметр електричного кола синусоїдного струму чи його елемента, який дорівнює кореню квадратному із різниці квадратів повного та активного опору кола, взятий із знаком плюс, якщо струм відстає за фазою від напруги, і із знаком мінус, якщо струм випереджує за фазою напругу.
Реактивна провідність або цептанс B - параметр електричного кола синусоїдного струму чи його елемента, який дорівнює кореню квадратному із різниці квадратів повної та активної провідності, якщо , взятий із знаком плюс, якщо струм відстає за фазою від напруги, і із знаком мінус, якщо струм випереджує за фазою напругу.
Двополюсник (two-terminal circuit element) – частина електричного кола з двома виділеними затискачами, які називаються полюсами.
Чотириполюсник (two-port network) – частина електричного кола, яка має дві пари вивідних затискач