Мощность и энергия

Пусть разность потенциалов точек, А и Б электрической цепи равна и. При перемещении элементарного электрического заряда dq через участок цепи, лежащий между этими точками, силы электрического поля совершают элементарную работу, которая в соответствии с выражениями (1.2) и (1.1) равна.

Элементарная работа характеризует изменение энергии электрического поля и количественно равна энергии, поступившей в рассматриваемый участок цепи за промежуток времени dt. Энергию, поступившую к моменту времени t = t, определяют интегрированием выражения (1.3).

Интегрирование производится, начиная с t = для того, чтобы учесть все возможные поступления энергии в цепь. При этом считают, что энергия, поступившая в цепь к моменту времени t = -°°, равна нулю: &>(-оо) = 0. Если для любого момента времени t при любом законе изменения i или и во времени энергия w (t) > 0, то рассматриваемый участок цепи является потребителем энергии и называется пассивным. Если хотя бы для какого-то момента времени энергия w (t) < 0, то участок цепи содержит источники энергии и называется активным.

Производная энергии по времени представляет собой мгновенную мощность

Как очевидно из выражения (1.5), мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений напряжения и тока.

Мгновенную мощность/?, характеризующую мгновенную скорость поступления энергии в рассматриваемый участок цени, обычно для краткости называют мгновенной мощностью участка цепи. Если в рассматриваемый момент времени направления тока и напряжения совпадают, то мгновенная мощность исследуемого участка цепи положительна. Это означает, что в данный момент времени участок цепи получает электрическую энергию от остальной части цепи. Если направления напряжения и тока не совпадают, то значение мгновенной мощности р отрицательно, т. е. в данный момент времени участок цепи отдает электрическую энергию остальной части цепи.

Подставив выражение (1.5) в формулу (1.4), выразим энергию, поступившую в участок цепи к моменту времени t = t, через мгновенную мощность:

Очевидно, что энергия W, поступившая в цепь за промежуток времени At = t — t также может быть выражена через мгновенную мощность р:

В системе единиц СИ работу и энергию выражают в джоулях (Дж), а мощность — в ваттах (Вт).

Схема электрической цепи (схема) представляет собой условное графическое изображение электрической цепи. В электротехнике и радиоэлектронике встречаются различные типы схем: структурные, принципиальные п схемы замещения.

Структурная схема электрической цепи — это условное графическое изображение реальной цепи, отражающее только важнейшие функциональные части цепи и основные связи между ними. Отдельные функциональные части цепи па структурной схеме могут изображаться в виде прямоугольников или с помощью условных графических обозначений; направление хода процессов указывается стрелками на линиях взаимосвязи (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Схемы электрических цепей

Принципиальная схема электрической цепи представляет собой графическое изображение реальной цепи, на котором с помощью условных графических обозначений показаны все элементы цепи и соединения между ними. Каждому реальному элементу электрической цепи (транзистору, резистору, конденсатору, трансформатору и т. п.) соответствуют условное изображение и буквенное обозначение, определяемые действующими стандартами ЕСКД (рис. 1.2, б).

Схемой замещения или эквивалентной схемой электрической цени называется условное графическое изображение моделирующей цепи, т. е. цепи, составленной из идеализированных элементов, замещающей исследуемую реальную цепь в рамках решаемой задачи. Каждому идеализированному элементу цепи присваиваются определенные условные графическое изображение и буквенное обозначение (они не стандартизированы). Схема замещения цепи может быть получена из принципиальной схемы путем замены каждого изображенного на ней реального элемента его схемой замещения.

Схема замещения реального элемента представляет собой условное графическое изображение идеализированной электрической цепи, моделирующей данный элемент в рамках поставленной задачи.

Следует иметь в виду, что в зависимости от ряда обстоятельств (требуемая точность расчетов, диапазон исследуемых частот, используемый метод расчета и т. п.) каждому элементу электрической цепи и всей цепи в целом могут быть поставлены в соответствие различные моделирующие цепи и различные схемы замещения, в частности: схемы замещения цепи по постоянному и переменному токам, для высоких и низких частот, для мгновенных значений токов и напряжений и для преобразованных токов и напряжений. Например, схемы замещения усилительного каскада (см. рис. 1.2, б) по переменному току для низких и высоких частот изображены на рис. 1.2, в_у г, соответственно. Часть схемы замещения каскада, выделенная штриховой линией, представляет собой схему замещения транзистора VT_{ для низких или высоких частот.

Отметим, что в целях компактности изложения в литературе часто не делается различий между моделирующей цепыо (которая строится только мысленно) и схемой замещения цепи, при этом схема замещения непосредственно рассматривается как расчетная модель цепи.

Вопросы для самопроверки

• 1. Что называется реальной электрической цепью и идеализированной цепью?
• 2. Чем отличаются первичные источники энергии от вторичных?
• 3. К какому виду источников относится автомобильный аккумулятор?
• 4. Может ли аккумулятор служить приемником электрической энергии?
• 5. Что называется схемой электрической цепи?
• 6. В физике полупроводников ток проводимости разделяют на дырочный и электронный. Сохраняется ли это деление в теории цепей?
• 7. Какое минимальное количество полюсов может иметь элемент цепи?
• 8. Почему направление тока в элементах электрической цепи при расчетах называют условным?
• 9. На каких участках электрической цепи направления напряжения и электрического тока совпадают?
• 10. Всегда ли по схеме электрической цепи можно определить, является она принципиальной или эквивалентной (см. рис. 1.2, 5.7, 5.9, 5.12,5.13)?
• 11. Может ли схема замещения цепи быть получена из принципиальной схемы той же цепи?
• 12. Какая из схем одной и той же цепи содержит больше элементов: принципиальная или схема замещения?