Элементы, которые соединяются проводниками электрического тока между собой, формируют электрические цепи. Существуют различные виды элементов цепи электрического тока: линейные и нелинейные, внутренние и внешние, активные и пассивные и другие.
Электрическая цепь: сущность и виды
Электрическая или гальваническая цепь – это совокупность элементов, устройств, предназначенных для протекания электрического тока, все процессы в которых описываются при помощи понятий «напряжение» и «сила тока».
Для того чтобы электрическая цепь работала правильно, необходимо наличие потребителей, соединительных проводников, источника питания, выключателя. Контур цепи должен замыкаться. Это обязательное условие для слаженной работы электрической цепи. Не все контуры можно считать цепями электрического тока.
Например, контуры заземления или зануления нельзя считать электрическими цепями, поскольку в обычном режиме работы в них не протекает ток. Однако цепями электрического тока их можно считать по принципу действия, поскольку в аварийных ситуациях в них протекает ток. Контур заземления замыкается при помощи грунта.
Существует несколько видов электрической цепи:
- Нелинейные и линейные электрические цепи.
- Разветвленные и неразветвленные цепи.
- Внутренние и внешние.
- Активные и пассивные.
Линейная электрическая цепь – это цепь, все элементы в которой линейные.
К линейным элементам можно отнести независимые и зависимые идеализированные источники тока и напряжения, резисторы, что подчиняются закону Ома, а также другие линейные компоненты, что подчиняются линейным дифференциальным уравнениям (катушки и электрические конденсаторы).
Если электрическая цепь содержит компоненты, которые отличаются от вышеперечисленных, то она называется нелинейной.
Электрическая схема – это изображение электрической цепи при помощи условных обозначений.
Функция зависимости тока, который протекает по двухполюсному компоненту, от напряжения называется вольтамперной характеристикой.
Часто данную характеристику изображают в декартовых координатах графически. При этом на графике напряжение откладывают по оси абсцисс, а электрический ток – по оси ординат. Омические резисторы, вольтамперная характеристика которых описывается линейной функцией, называются линейными.
Примерами линейных электрических цепей являются цепи, которые содержат только конденсаторы, резисторы, а также катушки индуктивности, что не имеют ферромагнитных сердечников
Нелинейные электрические цепи приближенно можно описать по принципу линейных. Однако это возможно только в том случае, если изменений приращений токов на компоненте мало. При этом вольтамперная характеристика данного компонента заменяется линейной. Данный подход в физике носит название «линеаризация». При этом к электрической цепи присоединяется мощный аппарат анализа линейных цепей.
Примерами нелинейных электрических цепей могут быть любые электронные устройства, которые работают в линейном режиме и содержат нелинейные пассивные и активные компоненты (генераторы, усилители).
Также электрические цепи подразделяются на разветвленные и неразветвленные. Во всех элементах неразветвленной цепи протекает электрический ток. В разветвленной цепи имеется два узла и три ветви. В каждой ветви протекает свой электрический ток. Ветвь определяется как участок цепи, который образован соединительными элементами последовательно. В свою очередь, узел имеет точку цепи, в которой расположено не менее трех ветвей. Узел, в котором располагается две ветви, одна из которой является продолжением второй, называется вырожденным или устранимым узлом.
Внешние и внутренние электрические цепи
Для формирования упорядоченного движения электронов, необходимо наличие разности потенциалов в любом участке электрической цепи. Это условие можно обеспечить, если подключить напряжение в качестве источника питания. В таком случае он называется внутренней электрической цепью.
Остальные элементы образуют внешнюю электрическую цепь. Для того чтобы задать движение зарядов, против направления в источнике питания необходимо приложить сторонние силы.
Подобными силами могут быть:
- гальванический источник (батарея);
- обмотка генератора;
- выход вторичной обмотки генератора.
Напряжение в электрической цепи может быть постоянным и переменным. Все зависит от свойств источника питания. Электрические цепи по этому признаку разделяются на контуры. Электроны, кроме упорядоченного движения, задействованы в хаотичном тепловом движении. Скорость хаотичного движения носителей заряда увеличивается с повышением температуры. Однако такой тип не принимает участие в формировании электрического тока.
Род тока также зависит от источника питания, иными словами, свойства внешней цепи. Батарея компонента постоянно выдает напряжение, а разные обмотки трансформаторов или генераторов создают переменное напряжение. Все это зависит от внутренних процессов источника питания.
Внешние силы, которые формируют движение электронов, называются электродвижущими силами. Они характеризуются работой, которая выполняется источником для перемещения единицы заряда.
В любых расчетах электрических цепей используются два класса источников питания:
- источники тока;
- источники напряжения.
Такие идеальные источники тока в реальности не существуют, однако практически их пытаются имитировать. В бытовой сети имеется напряжение 220 Вольт с некоторыми нормированными отклонениями. Именно это – источник напряжения, поскольку норма дается именно на этот показатель.
Компоненты электрической цепи
Электрическая цепь состоит из множества компонентов:
- Выключатель. Данное устройство цепи позволяет соединить источник питания с потребителем. При использовании выключателя на контактах образуется искра. Она возникает при наличии емкостного сопротивления. Чтобы не образовалось искрения, в электрическую цепь добавлены дроссели. Выключатель снабжается контактами специального вида. Для предотвращения искры электрические цепи могут иметь другие решения.
- Проводники. Электрические провода изготавливают из меди и алюминия. Эти материалы имеют низкое удельное сопротивление, хотя их стоимость постоянно повышается. Во время работы на проводах выделяется тепло, которое зависит от электрического тока и сопротивления участка цепи.
- Потребители. Остальные компоненты электрической цепи принято считать потребителями. Электродвигатель и лампа накаливания считаются полезной нагрузкой. Параметры электрической цепи сильно зависимы от потребителей. Обмотки трансформаторов, которые имеют электрические цепи, обладают большим индуктивным сопротивлением. Кроме тока направление может менять и мощность. При этом энергия может циркулировать как в одну, так и в другую сторону. В таком случае мощность называется реактивной, она не выполняет полезной работы. Однако она изменяет форму электрического сигнала. В промышленных целях целесообразно подключать конденсаторы к электродвигателям, которые будут компенсировать индуктивность с сопротивлением.
Индуктивные потребители имеют важное свойство: они расходуют электрическую энергию, которая в дальнейшем трансформируется в магнитное поле, и передается далее.
Законы, которые действуют в электрических цепях
Закон Ома устанавливает зависимость электрического тока, который протекает в проводнике, от сопротивления этого же проводника и направления в определенном участке цепи.
Закон Ома – это эмпирический закон, который определяет связь силы тока, что протекает в проводнике, с электродвижущей силой источника и сопротивлением.
Закон установлен в 1826 году Георгом Омом и назван в его честь. Записан закон в следующем виде:
$X = \frac {a}{b + l}$, где:
- $X$ - это показания гальванометра;
- $a$ - величина, которая характеризует свойства источника напряжения (она не зависит от величины тока и постоянна в широких пределах);
- $l$ - величина, которая определяется длиной соединительных проводов;
- $b$ - параметр, который характеризует свойства электрической установки в целом.
При использовании современных терминов формула закона Ома для полной цепи выражена в следующем виде:
$I = \frac {\varepsilon }{R + r}$, где:
- $\varepsilon $ - ЭДС источника напряжения;
- $I$ - сила тока в электрической цепи;
- $R$ - сопротивление элементов электрической цепи (внешних);
- $r$ - внутреннее сопротивление, что исходит от источника напряжения.
В случае если сила тока обратно пропорциональна сопротивлению, а сам источник называется источником напряжения, то $r\leqslant R$.
Если сила тока не зависит от свойств внешней электрической цепи, и источник называется источником тока, то $r\geqslant R$.
Часто используется выражение $U = IR$, где $U$ - падение напряжения или напряжение. Его также называют законом Ома.
Можно подытожить, что электродвижущая сила в замкнутой электрической цепи, по которой протекает ток, равняется:
$\varepsilon = I_r + IR = U ( r ) + U ( R )$
Иными словами, сумма падений напряжения на внешней цепи и внутреннем сопротивлении источника равна ЭДС источника. В этом равенстве последний элемент физики называют «напряжение на зажимах», поскольку его отображает вольтметр, который измеряет напряжение источника с началом и концом замкнутой цепи.
Теорема Тевенена – это теорема, которая утверждает, что любой источник эквивалентно может заменяться на внутреннее сопротивление или соединенный источник напряжения последовательно.
Формулировка данной теоремы для линейных электрических цепей выглядит следующим образом: любая электрическая цепь имеет два вывода и состоит из произвольной комбинации источника тока, источников напряжения и резисторов.
Иными словами, электрический ток в любом сопротивлении $Z_n$, который присоединяется к любой цепи, приравнивается току в этом же сопротивлении $Z_n$. Последнее сопротивление присоединяется к идеальному источнику напряжения с тем напряжением, что приравнивается к холостому ходу цепи, а также обладает внутренним сопротивлением $Z_i$.
Пусть напряжение на зажимах при холостом ходе будет выражено $V$, а ток при коротком замыкании $I$, тогда:
$V_th = V и R_th = \frac {V}{I}$, где:
- $V_th$ - ЭДС идеального источника;
- $ R_th$ - сопротивление резистора, который включен в эквивалентную систему последовательно с источником.
