Елементи електричних кіл

Сукупність пристроїв, що утворюють шляхи для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можна описати за допомогою понять ЕРС, струму, напруги та параметрів окремих ділянок (опорів), називають електрич­ним колом. Схема електричного кола показана на рис. 1.21.

Джерелами електричної енергії є пристрої, в яких механічна, теплова, хімічна, ядерна та інші види енергії перетворюються на електричну. Такими є електричні генератори, гальванічні елементи, акумулятори, термоелементи тощо.

Приймачами електроенергії є пристрої, в яких електрична енергія пере­творюється на інші види енергії: механічну (в електродвигунах), теплову (в електричних печах і нагрівальних пристроях), хімічну (у пристроях хімічної технології), акустичну (в радіоприймачах), світлову (в електричних лампах) тощо.

Найпростіші електричні явища відбуваються в колах постійного струму, в яких у загальному випадку проходять електричні струми провідності (в мета­лах та електролітах) та переносу (наприклад, в електронних лампах). ЕРC, напруги та струми в колах постійного струму будемо позначати великими літе­рами Е, U, І.

Джерело ЕРС. На рис. 1.22, а позначене дже­рело ЕРС Е з внутрішнім опором r ₀. Таке джерело називають реальним. За­лежність напруги на його клемах від струму навантаження називається зовнішньою характеристикою джерела (рис. 1.22, б):

(1.48)

При незмінній Е від струму напруга U на клемах джерела буде менша від Е на значення спаду напруги (D U = r ₀ I) на внутрішньому опорі. У неробочому режимі, коли опір навантаження вимкнений (R _H ®∞), I = 0, а U = Е; в режимі короткого замикання, коли опір навантаження дорівнює нулеві (R _H = 0), на­пруга U = 0, і струм значно зросте й буде дорівнювати струму короткого за­микання: I = І _к = Е / r ₀.

Якщо внутрішній опір джерела дуже малий і ним можна нехтувати (r ₀ 0), то таке дже­рело називається ідеальним джерелом електроенергії. Напруга на його клемах не залежить від струму навантаження і завжди дорівнює Е. Зовнішня характеристика такого джерела показана на рис. 1.23, б.

Ця характеристика від­повідає джерелам електроенергії дуже великої потужності (теоретично нескінченно великої). Цей режим відзначається також і у реальних джерелах електроенергії (скінченої потужності) за наявності в них автоматичних регуляторів напруги, які підтримують напругу на клемах генератора (чи на клемах споживача) незмінною під час зміни навантаження у широких межах. Зовнішня характеристика таких генераторів приблизно виглядає так, як показано на рис. 1.23, в. Тут Е, за рахунок автоматичного регулювання, зростає на величину DU при збільшенні I, і величина U практично залишається постійною.

Помножимо ліву і праву сторони рівняння (1.48) на значення струму I, одержимо:

(1.49)

в (1.49) компонента D Р ₀= r ₀ I ² – це потужність, яка витрачається на внутріш­ньому опорі джерела електроенергії; компонента Р = UI – та частина потуж­ності, яка передається зовнішньому споживачу R _H. Отже, значення ЕІ із закону збереження балансу потужностей є потужністю джерела електроенергії – потужністю генератора:

(1.50)

У формулі (1.50) Е та I на схемі мають однакове спряму­вання. Якщо спрямування Е та I різні, то потужність джерела буде Р_Г = – ЕІ.

Отже, під час визначення P потужності в джерелах електричної енергії необхідно враховувати умовно-додатні напрями струмів (рис. 1.24). Якщо спрямування ЕРС і струму збіжні, то умовно вважають, що джерело ЕРС пра­цює в режимі генератора, в протилежному випадку – в режимі споживача. Дійсний режим роботи k -го джерела ЕРС може бути визначений після підставляння числових значень струмів І_k та ЕРС Е_k з врахуванням їх знаків.

В результаті числового розрахунку, якщо Р _Г > 0 – то джерело електро­енергії працює в режимі генератора – віддає електричну енергію в зовнішнє коло і, якщо P _Г< 0 – джерело працює в режимі приймача – споживає електрич­ну енергію.

Двополюсник. Частина електричного кола з двома зовніш­німи затискачами (по­люсами), якими вона від’єднується до елек­тричної схеми, назива­ється двополюсником. Двополюсники, які не мають джерел електричної енергії, називають пасивними (рис. 1.25, а), а двополюсники, які мають джерела енергії, – активними (рис. 1.25, б).

Крім двополюсників, у електричних схемах зустрічаються чотириполюс­ники та багатополюсники.

Чотириполюсник – це елемент електричного кола (чи схема), яка має чотири затискачі (полюси), якими вмикається до електричного кола (наприк­лад, однофазний трансформатор, двопровідна лінія пересилання електричної енергії тощо (рис. 1.25, е)).

Багатополюсник – це елемент чи, в загальному випадку, частина схеми (підсхема), яка має n полюсів, якими вмикається до електричної схеми (на­приклад, багатообвитковий трансформатор, багатополюсні електричні схеми тощо) (рис. 1.25, г).

Вузол – це точка в електричному колі, в якій сходяться три або більше вітки. Кількість вузлів у електричному колі позначають літерою q.

Вітка в електричному колі – це послідовне сполучення елементів (ЕРС, резисторів чи інших споживачів) між двома вузлами. У вітці завжди протікає тільки один струм. Важливо знати, скільки є віток в електричній схемі, отже, і скільки в схемі є струмів. Кількість віток у схемі (електричному колі) позна­чають літерою р.

Замкнений контур в електричному колі – це замкнений шлях, який проходить по декількох вітках (двох або більше). Кількість замкнених контурів в електричних колах (схемах) позначають літерою n. Новий контур врахову­ється, якщо у нього входить хоча б одна вітка, яка не увійшла в інші контури.

Між цими трьома величинами (вузол, вітка, замкнений контур) для будь-якого електричного кола існує співвідношення:

(1.51)

Справедливість рівності (1.51) очевидна для кола, яке складається з трьох віток і має два вузли (рис. 1.26).

Приєднуючи до цього кола нову вітку між двома вузлами або між вузлом і довільною точкою кола, чи, нарешті, між довільними точками кола, ми збіль­шуємо кількість незалежних контурів (n) на одиницю. Значення р – (q – 1) теж збільшується на одиницю. Отже, для всіх схем (рис. 1.26) рівність (1.51) є спра­ведлива, звідси випливає її справедливість для будь-якого складного кола.