Внутренняя и внешняя электрическая цепь

Ассортимент элементов электрической цепи достаточно широк. Так, они бывают:

• линейного;
• нелинейного;
• пассивного;
• активного типов.

Элементы электрической цепи

Каждая электрическая цепь будет включать в себя разноплановые объекты и устройства, формирующие специальные пути для прохождения электротока. С целью детального описания электромагнитных процессов, осуществляемых в каждом из них, на практике применяют такие понятия, как:

• электродвижущая сила (представляет скалярную величину, характеризующую работу любых сил неэлектрического происхождения, функционирующих в квазистационарных цепях тока переменного или постоянного типа);
• напряжение (считается физической величиной, равнозначной отношению работы электрического поля, которая будет затрачиваться на перенос электрозаряда из одной точки в другую (то есть между полюсами) к указанному заряду);
• ток (характеризуется направленным потоком заряженных частиц).

Внутренние и внешние части электрической цепи

Составными простейшей электрической цепи являются: источник, один или несколько приемников электроэнергии с последовательным соединением и соединительные провода.

Источник питания контролирует образование внутренней части цепи, а потребитель, в то же время, формирует ее внешнюю часть (в совокупности с измерительными приборами, коммутирующими аппаратами и соединительными проводами).

При составлении расчетных схем элементы электроцепи, обладающие некоторым сопротивлением, (электролампы, например, или электронагревательные приборы) изображаются схематически в формате сосредоточенных в определенном месте схемы резисторов с сопротивлением. То же касается и элементов с индуктивностью (обмотки генераторов, трансформаторов и электродвигателей) и емкостью (трансформаторы).

На расчетных схемах их изображение будет сосредоточено в соответствующих местах конденсаторов и катушек индуктивности. Источниками электроэнергии в схеме электрической цепи зачастую выступают идеализированные источники с внутренним сопротивлением $Ro=0$. С целью учета внутреннего сопротивления реального источника, в схему вводится изображение резистора с сопротивлением $Ro$ или ставится обозначение $Ro$ рядом с условным обозначением источника.

Вспомогательным элементам электроцепей в виде включающих и выключающих аппаратов, защитных устройств, некоторых электроизмерительных приборов часто свойственно малое сопротивление, при этом они практически не оказывают воздействия на значения напряжений и токов. По этой причине они во внимание не принимаются и не указываются на схемах.

В момент образования замкнутого контура во внутренней и внешней части цепи, в ней фиксируют возникновение электрического тока. Силу тока, таким образом, определяет количество электричества (заряда), проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводника:

• $I=\frac{q}{t}$ (для постоянного тока);
• $i=\frac{dq}{dt}$ (для переменного тока).

Прохождение в цепи электрического тока взаимосвязано с процессами преобразования энергии в каждом ее элементе, которые происходят в непрерывном режиме. В рамках процесса преобразования иных видов энергии в электрическую мы наблюдаем возбуждение в источнике питания электродвижущей силы (ЭДС).

Внешняя цепь, равно как и сам источник энергии, имеют определенное сопротивление для прохождения электрического тока. Физическую природу сопротивления Ома $R$ представляет – тепловое движение атомов и молекул тела (свойство сверхпроводимости). Величина сопротивления будет зависимой от материала, а также размеров и формы проводника:

$R=P\frac{I}{S}$

Обратная сопротивлению величина называется проводимостью:

$P=\frac{1}{R}$

Напряжение, электродвижущая сила, ток и сопротивление связывает в простейшей цепи закон Ома, который выражается формулой:

$I=\frac{U}{R}$

Основные законы для электрических цепей

При анализе цепей сложного и простого типа широко применимы законы Кирхгофа, Ома, Джоуля Ленца, Фарадея, Ампера. Законы Ома существуют в двух вариациях: для участка цепи и полной цепи. Ток в участке цепи будет прямо пропорциональным напряжению на таком участке и обратно пропорциональным сопротивлению на нем, то есть:

$U=IR$

При произведении тока участка цепи на величину сопротивления возникает падение на данном участке. Ток в электроцепи будет прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорциональным сумме сопротивлений, состоящим из внутреннего и внешнего типа сопротивления источника питания. Таким образом:

$I=\frac{E}{R+r}$

Закон Джоуля-Ленца позволяет определять количество тепловой энергии, которое будет выделяться на сопротивление при протекании по нему электрического тока. Согласно формуле, это записывается так:

$w=I^2 rt$

Законом электромагнитной индукции Фарадея устанавливается связь между:

• индуктированием ЭДС в электроцепях и изменением магнитного потока, пронизывающего ограниченную контуром цепи поверхность;
• индуктированием ЭДС в проводнике в формате пересечения им магнитного поля.

В соответствии с вышеуказанным законом, ЭДС, которая индуцируется в цепи при изменении магнитного потока $Ф$, проходящего через ограниченную контуром поверхность, равнозначна скорости изменения магнитного потока, которая берется с отрицательным знаком, то есть формула выглядит так:

$E=-\frac{dф}{dt}$

Под эквивалентными преобразованиями понимается замена участков электрической цепи, содержащая последовательно и параллельно соединенные несколько элементов посредством одного элемента. При этом следствием такой замены становится неизменность общего тока и напряжения цепи.

В качестве основной особенности последовательного соединения выступает наличие общего тока, равного по значению для всех элементов (включая также и последовательные). Это, в свою очередь, способствует прямой пропорциональности напряжения сопротивлению участка цепи на каждом из включенных последовательно элементов.