Электрические цепи постоянного тока

Для наглядности и простоты сначала изучаются цепи постоянного тока (неизменного во времени). При этом напряжения на индуктивностях равны нулю (Ui = Ldi/dt = 0), и их можно исключить из схемы замещения устройств. Аналогично, ток через емкость также равен нулю (i = = Cduc/dt = 0), т. е. наличие емкости равносильно разрыву ветви, и такие ветви можно исключить из схемы замещения устройства. Поэтому в электрических цепях постоянного тока будут присутствовать только различные сопротивления и источники энергии.

Основные определения

В теории электрических цепей сформировались свои понятия и определения.

Постоянным током называют ток, неизменный во времени. Его принято обозначать буквой 1. Он возникает при наличии в цепи источника электрической энергии, который преобразует химическую, механическую и другие виды энергии в электрическую. Схема замещения источника содержит два идеализированных элемента — источник ЭДС и внутреннее сопротивление источника (рис. 2.1, а). Обозначение самого источника электрической энергии зависит от его конструкции. На рис. 2.1, б, в приведены для примера обозначения гальванического элемента и электромеханического генератора постоянного тока.

При подключении к источнику электрической энергии приемника (нагрузки) образуется неразветвленная электрическая цепь (рис. 2.1, д). Приемники могут изображаться на схемах либо схемой замещения из идеализированных элементов теории цепей, либо своим индивидуальным обозначением, отражающим конструкцию. Для примера, на рис. 2.1, г представлено графическое обозначение лампы накаливания, а на рис. 2.1, д.

Рис. 2.1. Источники электрической энергии и потребители:

а — схема замещения источника; б — обозначение гальванического элемента; в — обозначение генератора постоянного тока; г — обозначение лампы накаливания; д — схема электрической цепи.

Рис. 2.2. Вольт-амперные характеристики сопротивлений:

а — линейного; 6 — нелинейного; в — разветвленная электрическая цепь эта лампа уже представлена идеализированным элементом — сопротивлением R. Свойства приемников определяются вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если эта зависимость линейна (рис. 2.2, а)> то такие сопротивления называют линейными, и цепи, содержащие только линейные сопротивления, называют линейными цепями. Если вольт-ампериая характеристика сопротивления нелинейна (рис. 2.2, 6), то сопротивление называют нелинейным, и цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент — нелинейной.

Разность потенциалов на некотором участке электрической цепи называют напряжением на этом участке цепи U_aj_} = у_а — ф/,.

Ток на участке цепи, не содержащем ЭДС, направлен от более высокого потенциала к более низкому. При этом напряжение на таком участке называют падением напряжения или напряжением на сопротивлении = IR.

На схемах положительное направление напряжения обозначают стрелкой, а также индексами. Направление задается порядком чередования индексов, т. е. направлено от с к /;. Если изменить порядок чередования индексов, то напряжение будет отрицательным.

На рис. 2.2, в самый высокий потенциал имеет точка с. Поэтому напряжение на источнике ЭДС U_ca направлено от ска.

Положительным принято считать направление тока от положительного полюса источника через нагрузку к отрицательному полюсу. При расчете разветвленных цепей в некоторых ветвях цепи трудно определить истинное направление тока, тогда положительное направление тока задается произвольно (задается на схеме стрелкой), а полученное в результате расчета отрицательное значение тока будет свидетельствовать о том, что в действительности ток направлен в противоположную сторону. При этом в дальнейших расчетах необходимо сохранять знак «минус» у соответствующего тока.