Постоянная и переменная электрическая цепь

В электротехнике изучаются принципы действия и устройства основных электротехнических приборов, которые используются в быту и промышленности. Чтобы любое электротехническое устройство работало, должна создаваться электрическая цепь. Основное задачей цепи является передача электрической энергии и обеспечение устройству необходимого режима работы.

Электрическая цепь: понятие и основные элементы

Электрическая цепь – это совокупность различных объектов и устройств, которые образуют путь для нормального протекания электрического тока. Электромагнитные процессы в цепях могут описываться при помощи понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении.

Для того чтобы проводить расчеты и анализ, электрическую цепь можно представить в виде электрической схемы, которая состоит из условных обозначений ее элементов и способов их соединения.

Все устройства и элементы, которые входят в состав электрической цепи, условно можно классифицировать на несколько групп:

1. Источники электрического питания (энергии). Общее свойство всех источников питания – это преобразование любых видов энергии в электрическую. Источники, в которых осуществляется трансформация неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными. Вторичными источниками являются те, в которых и на выходе, и на входе электрическая энергия. В качестве примера можно привести выпрямительные устройства.
2. Потребители электроэнергии. Общее свойство всех потребителей электрической энергии – это трансформация электроэнергии в другие виды энергии. Пример – нагревательный прибор. Иногда потребители электроэнергии называют нагрузкой.
3. Вспомогательные элементы электрической цепи. Сюда можно отнести коммуникативные устройства, соединительные провода, защитную аппаратуру, а также измерительные приборы, без которых электрическая цепь не функционирует.

Все элементы электрической цепи охватываются одним электромагнитным процессом.

Электрическая цепь с постоянным током

В электрической цепи постоянного тока электродвижущая сила, которая направлена внутрь источника электроэнергии от отрицательного полюса к положительному, возбуждает электрический ток такого же направления. Его можно определить по закону Ома для всей цепи:

$I = \frac {E}{R + R_{BT}}$, где:

• $R$ - это сопротивление внешней цепи, которая состоит из соединительных проводов и приемника;
• $ R_{BT} $ - сопротивление внутренней цепи, которая состоит из источника электрической энергии.

Стоит отметить, что в одноконтурной постоянной электрической цепи, что имеет один источник электрической энергии, ток прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению цепи.

Из этого следует, что $E-R_{BT} L = RI$, откуда:

$I = \frac {(E – R_{BT} l)}{R}$ или $I = \frac {U}{R} $, где:

$U = E – R_{BT} l$ - это напряжение источника электроэнергии, которое направляется от положительного полюса к отрицательному.

При неизменной электродвижущей силе, напряжение зависит только от электрического тока, который определяет падение напряжения $ R_{BT} l$ внутри источника электроэнергии, но только в том случае, если сопротивление внутренней электрической цепи $ R_{BT} = const $.

Выражение $I = \frac {U}{R} $ - это закон Ома для участка электрической цепи, к зажимам которого приложено напряжение $U$, что совпадает с электрическим током $I $ этого же участка цепи.

Зависимость напряжения от электрического тока $U (I)$ при $E - const$ и $ R_{BT} = const $ называется внешней (вольтамперной характеристикой линейного источника электроэнергии). По данной характеристике можно определить соответствующее напряжение для любого тока, а по формулам, что приведены ниже, - рассчитать мощность приемника электроэнергии:

$P_2 = RI^2 = \frac {E2R}{(R + R_{BT} )^2}$

Мощность источника электроэнергии:

$P_1 = (R + R_{BT} ) I^2 = \frac {E^2}{R + R_{BT} }$

КПД установки в цепи постоянного тока:

$\eta = \frac {P_2}{P_1} = \frac {R}{R + R_{BT} } = \frac {1}{ 1 +\frac {R_{BT} }{R}} $

Точка Х вольтамперной характеристики источника электроэнергии соответствует режиму холостого хода при разомкнутой электрической цепи. В таком случае электрический ток $l_X = 0$, а напряжение $U_X = E$.

Точка К необходима для того, чтобы охарактеризовать режим короткого замыкания, который возникает при соединении зажимов источников электроэнергии. Внешнее сопротивление приравнивается нулю $R=0$. В этом случае формируется электрический ток короткого замыкания $I_K = \frac {E}{R_{BT} }$, который в несколько раз превышает номинальный ток $I_HOM$. Это случается по причине того, что внутреннее сопротивление источника электроэнергии $R_{BT}

Точка С соответствует согласованному режиму, при котором сопротивление внешней электрической цепи приравнивается сопротивлению внутренней цепи $ R_{BT} $ источника электроэнергии. В таком режиме формируется электрический ток $I_c = \frac {E}{2R_{BT} }$ внешней цепи и отвечает наибольшей мощности $R2_max = \frac {E2}{4R_{BT} }$. Коэффициент полезного действия в таком случае приравнивается нулю: $\eta c = 0$.

Учитывая все вышеизложенное, согласован режим, при котором:

$\frac {P2}{P2_max} = \frac {4R^2}{(R + R_{BT} )^2} = 1$ и $I_c = \frac {E}{2R} = 1$

Режимы электрических цепей в электроэнергетических установках значительно отличаются от согласованного режима и характеризуются токами, которые обуславливают сопротивление приемников $R$ и $ R_{BT} $. В результате этого работа систем на высоком КПД.

Изучение явлений, которые протекают в электрических цепях, упрощается, если происходит их замена на схемы замещения. Эти схемы представлены в виде математических моделей с идеальными элементами. Данные схемы подробно отображают свойства электрической цепи и при соблюдении конкретных условий делают анализ электрического состояния цепей значительно проще.

Электрическая цепь с переменным током

Практически во всех случаях электрическая энергия производится, перераспределяется и потребляется в виде электрической энергии переменного тока.

Переменный ток меняет свое направление и значение определенное количество раз в секунду. Электроны при переменном токе движутся сначала в одном направлении вдоль провода, после чего останавливаются на мгновение и движутся в обратную сторону. В проводе электроны совершают колебательные движения. Из-за своей малой скорости ($V_{эл} = 10^{-4} м/с = 0,1 мм/с$) при таких колебаниях электроны успевают сделать лишь небольшие передвижения вдоль провода.

Чаще всего встречается синусоидальный переменный ток: изменение электрических величин (силы тока, электродвижущей силы, напряжения) показывают со временем плавную кривую линию, что называется синусоидой.

Для переменного тока выбирается синусоидальная форма, поскольку она обеспечивает экономное производство, распределение, использование и передачу электрической энергии. Именно переменная форма электрических величин остается неизменной во всех участках цепи. Иными словами, все емкостные и индуктивные элементы, которые входят в состав электрической цепи, не меняют синусоидальной формы напряжения и тока.

Электрические цепи с переменным током, по сравнению с цепями постоянного тока, имеют множество особенностей, которые определяются:

• в первую очередь тем, что в состав электрических цепей переменного тока входят новые элементы: конденсаторы, трансформаторы, индуктивные катушки;
• тем, что переменный ток и напряжение в данных элементах порождают переменные магнитные и электрические поля, которые приводят к формированию явления самоиндукции, токов смещения и взаимной индукции.

Все вышеперечисленные особенности оказывают ощутимое воздействие на процессы, протекающие в электрической цепи. Анализ процессов в таких цепях значительно усложняется. Большое значение для цепи переменного тока играет частота f. От ее значения зависит влияние индуктивностей и емкостей на процессы в электрической цепи.

Особенности цепей переменного тока обуславливают ряд специфических и новых явлений:

• явление резонанса;
• сдвиг фаз;
• возникновение реактивных мощностей.