Полная и переходная электрическая цепь

Электрическую цепь образуют несколько основных элементов. В их число входят:

• источники электрического тока;
• потребители электроэнергии;
• провода, соединяющие все элементы цепи.

Электрическую цепь в процессе изучения изображают в виде схемы. В ней обозначаются все элементы цепи при помощи специальных знаков и символов. Такое графическое изображение упрощает работу профессионалов и дает представление о том или ином виде электрической цепи.

Закон Ома для полной электрической цепи

Для полной электрической цепи используется закон Ома. Он гласит, что направление тока в цепи представляет собой направление к отрицательному источнику тока от положительного его полюса. Это понятие было на экспериментальном уровне подтверждено еще два столетия назад и правило действует в неизменном виде и в наши дни. Однако передвижение реальных зарядов не всегда совпадает с определенным направлением тока. В металлических проводниках носителями становятся отрицательно заряженные электроны. Они двигаются в противоположном направлении – от отрицательного полюса к положительному. В электролитах реальное перемещение зарядов совпадает, а в некоторых случаях совершает противоположное движение относительно направлению тока. Это зависит от того, отрицательными или положительными ионами являются носители заряда.

Элементы электрической цепи могут включаться в систему двумя способами:

• последовательно;
• параллельно.

Закон Ома для полной цепи может установить связь между:

• силой тока в цепи;
• электродвижущей силой;
• полным сопротивлением цепи.

Полное сопротивление состоит из внутреннего ($r$) и внешнего сопротивления источника тока ($R$).

По определению закона Ома электродвижущая сила ($\varepsilon$) будет равна $A = \varepsilon q$.

Здесь $q$ – это заряд, который перемещается электродвижущей силой.

По стандартному определению тока $q = It$, где $t$ — это время, в течение которого переносится заряд. Тогда получаем уравнение $A = \varepsilon It$.

По закону Джоуля-Ленца тепло, которое выделяется при совершении работы в электрической цепи, будет равно $Q$. Получаем формулу следующего вида:

$Q = I_2 Rt + I_2 rt$

Затем применяем закон сохранения энергии, в том числе приравниваем уже выведенные формулы между собой. Так как, $А = Q$, то и $A = \varepsilon It = Q = I_2 Rt + I_2 rt$.

Итоговое написание закона Ома для полной цепи приобретает вид:

$\varepsilon = IR + Ir$

Отсюда следует, что сила тока в полной цепи будет равна отношению электродвижущей силы цепи к ее полному сопротивлению.

При наличии нескольких источников цепи, соединенных последовательным образом с электродвижущей силой (ЭДС), полная электродвижущая сила равняется сумме ЭДС определенных источников. Знак электродвижущей силы источника выбирается, исходя из отношения направления обхода контура. Он определяется произвольным способом.

Внутри источника цепи сторонние силы совершают положительную работу. Поэтому процесс можно выразить при помощи следующей формулы:

$\varepsilon =\varepsilon_1 + \varepsilon _2 + \varepsilon_3 = | \varepsilon_1| - | \varepsilon_2| -| \varepsilon_3|$

По закону Ома, рассчитанного для полной электрической цепи, сила тока имеет положительное значение для положительной электродвижущей силы. То есть направление тока во внешней цепи полностью совпадает с направлением обхода контура.

Полное сопротивление цепи, где есть несколько источников, будет равняться сумме внутреннего и внешнего сопротивлений всех источников электродвижущей силы.

$Rn = R + r_1 + r_2 + r_3$

Установившийся режим электрической цепи

Различные переходные процессы можно наблюдать не только в электрической цепи. Подобные физические явления встречаются повсеместно.

Выделяют установившийся и переходный процесс для электрической цепи. Эти режимы работы можно увидеть при анализе процессов в цепях.

Установившийся режим электрической цепи можно наблюдать при подключении к источнику постоянного напряжения. В это время напряжение и токи в отдельных ветвях цепи не меняются с течением времени.

Если в электрической цепи, которая подключена к источнику переменного тока, устанавливается режим с периодическим повторением мгновенных значений токов и напряжений в ветвях, то принято говорить об установившемся режиме. При теоретическом продолжении процессов неограниченно долгое время параметры действующего сигнала в виде напряжения или тока, структура цепи, а также параметры ее элементов не меняются.

Переходные процессы в электрической цепи

Переходный режим или процесс – это режим, который возникает в электрической цепи в момент перехода с определенного стационарного состояния в другое. Оно должно по качественным характеристикам отличаться от предыдущего состояния, при этом возникают переходные токи и напряжения. Они сопровождают весь процесс.

Подобное изменение стационарного режима достигается при наличии внешних сигналов в виде включения и отключения источников внешнего воздействия или переключения внутри цепи.

Возникновение переходных процессов связано с особенностями изменения запасов энергии в реактивных элементах цепи. Переход к новому стационарному режиму связывают с нарастанием или убыванием энергии. Он сопровождается возникновением переходного процесса, заканчивающийся в момент изменения запаса энергии.