Теория цепей — это раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются вопросы, связанные с анализом и синтезом электрических цепей.
Введение
Теория цепей посвящена вопросам решения проблем, связанных с анализом и синтезом электрических цепей. Задачи, связанные с анализом электрических цепей, состоят в том, чтобы вычислить ток, напряжение и мощность в случаях, когда заданы конфигурация и характеристики компонентов изучаемой электрической цепи. Задачей синтеза электрической цепи является определение конфигурации топологии цепи и выбор ее компонентов при задаваемых значениях тока и напряжения.
Процесс расчета электрических цепей заключается в вычислении всех напряжений ветвей и всех токов в этих ветвях. В теории цепей используются понятия активных и пассивных компонентов. Активным компонентом может служить источник электрической энергии, а именно, это может быть источник напряжения или источник тока. К числу пассивных компонентов следует отнести сопротивления, индуктивности и емкости. Цепи, которые содержат активные компоненты, именуются активными, а цепи, которые состоят лишь из пассивных компонентов, называются пассивными.
Основы теории цепей
Электрическими цепями могут считаться наборы устройств, которые предназначаются, для того чтобы передавать, распределять и взаимно преобразовывать электрическую (электромагнитную) и иные типы энергии и информации. При этом процессы, происходящие в этих устройствах, должны описываться при помощи понятий об электродвижущих силах (ЭДС), токе и напряжении. Главными компонентами и электрической цепи могут считаться источники и приемники электрической энергии (и информации), соединенные между собой при помощи проводов.
В источниках электрической энергии, а именно, гальванических элементах, аккумуляторах, электромашинных генераторах и тому подобное, химическая, механическая, тепловая энергия или энергия иных типов, может превратиться в электрическую энергию. А в приемниках электрической энергии, таких как, электротермические устройства, электрические лампы, резисторы, электрические двигатели и тому подобное, наоборот, электрическая энергия может быть преобразована в тепловую, световую, механическую и другие типы энергии.
Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, ее трансляция и преобразование в приемниках выполняются при постоянных во времени параметрах тока и напряжения, именуются цепями постоянного тока. При наличии постоянного тока и напряжения магнитные и электрические поля электрических установок тоже не меняются во времени. По этой причине в цепях постоянного тока не могут возникнуть ЭДС индукции, и нет токов смещения в диэлектриках, которые окружают проводники.
На рисунке ниже условно показана самая простая электрическая установка с источником энергии в виде аккумуляторной батареи и приемником в виде группы электрических ламп.
Рисунок 1. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Выводы (зажимы) источника и приемника энергии соединяются между собой парой проводов. Источник энергии, провода и приемник формируют замкнутый токопроводящий контур. В данном контуре под воздействием ЭДС источника энергии осуществляется непрерывное и имеющее одностороннее направление упорядоченное движение электрических зарядов.
Набор, состоящий из трех компонентов, а именно, источника энергии, двух проводов и приемника, является простейшей электрической цепью постоянного тока. На практике более часто присутствуют более сложные электрические цепи, имеющие несколько источников и большое количество приемников энергии, наряду с совокупностью измерительных приборов и вспомогательных элементов, таких как, переключатели, предохранители и тому подобное.
Для того чтобы облегчить исследование процессов в электрической цепи, ее следует заменить расчетной схемой замещения, то есть, идеализированной цепью, предназначенной играть роль расчетной модели реальной цепи. При решении задач расчета режима работы цепи и иных задач анализа и синтеза каждый реальный компонент цепи следует заменить компонентами схемы, математическое описание каждого из них (математическая модель) обязано отображать основные (доминирующие) процессы в компоненте цепи, или, точнее, все, которые следует учитывать в процессах анализа или синтеза.
Для цепи постоянного тока необходимо использовать понятия следующих главных компонентов схемы, а именно:
- Источника энергии с ЭДС = Е и внутренним сопротивлением rвт.
- Резистивного компонента, то есть, приемника или нагрузки с сопротивлением r.
Электродвижущая сила «Е» в численном выражении равняется разности потенциалов между положительным и отрицательным выводами источника энергии при отсутствии в нем тока, то есть, в режиме холостого хода, независимо от физической природы ее возникновения. Электродвижущая сила «Е» может быть определена как работа сторонних (неэлектрических) сил, которые присущи источнику, затрачиваемую на передвижение единицы положительного заряда внутри источника от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом. Направление действия ЭДС, то есть, от отрицательного вывода к положительному, отображается на схеме стрелкой.
Развиваемая источником энергии мощность может быть определена следующим равенством:
Pи = EI
Тут необходимо указать на установившееся в электротехнике не совсем точное использование понятия «мощность». Так, к примеру, можно говорить о генерируемой, отдаваемой, передаваемой, потребляемой мощности. Но на самом деле выполняется генерация, отдача и получение не мощности, а энергии. Мощность способна характеризовать интенсивность энергетического процесса и может измеряться количеством генерируемой, отдаваемой, передаваемой и иных видов энергии в единицу времени. По этой причине правильно говорить о мощности генерирования энергии, о мощности передачи энергии и так далее. Сопротивление приемника r может характеризовать потребление электрической энергии, то есть, превращение электрической энергии в другие виды.
