ОТЦ Попов.В.П (В.П. Попов. Основы Теории Цепей), страница 3

Внутри источников энергии носители электрического заряда перемегцаются за счет энергии с т о р о н н н х сил, т. е. сил, которые обусловлены неэлектромагнитными при макроскопическом рассмотрении процессами, такими, как химические реакции, тепловые процессы, воздействие механических снл. Носители заряда через источники перемещаются в направлении, противоположном направлению действия снл электрического поля, в частности носители положительного заряда — от зажима источника с болея низким потенциалом к зажиму с более высоким потенциалом Таким образом, направление тока через источник противоположно направлению напряжения. При расчетах электрических цепей направление напряжения сравнивается с направлением, условно выбранным за положительное.

ш Если в результате расчетов напряжение на рассматриваемом участке цепи получится со знаком плюс, значит направление напряжения совпадает с направлением, условно принятым за положительное, если напряжение получится со знаком минус — его направление противоположно условно-положительному. Электродвижущая сила Мощность и энергия Пусть разность потенциалов точек А и Б электрической цепи равна и. При перемещении элементарного электрического заряда Ь~ через участок цепи, лежащий между этими точками, силы электрического поля совершают элементарную работу, которая в соответствии с (1.2) и (1.1) равна Йо =- иау = и!'й. (1.3) Элементарная работа характеризует изменение энергии электрического поля н количественно равна энергии, поступившей в рассматриваемый участок цепи за промежуток времени аг.

Эту энергию к моменту времени 1 = 1, определяют интегрированием (1.3): ш = !о (1!) = ~ и( й. (1.4) Нижний предел интегрирования ! =- — оо выбирают для того, чтобы учесть все поступления энергии в цепь. Если для любого момента времени 1 энергии !о (1) ' О, то рассматриваемый участок цепи является потребителем энергии и называпия п а с с и в н ы м. Если хотя бы для какого-то момента времени энергия и! (г) ( О, то участок цепи содержит источники энергии и называется а к т и в н ы м. При перемещении сторонними силами носителя электрического заряда внутри источника энергия процессов, вызывающих эти силы, преобразуется в электрическую энергию.

Источники электрической энергии характеризуются электродвижущей силой (э. д. с.), которая может быть определена как работа сторонних спл, затрачиваемая на перемещение единичного положительного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. Независимо отприроды сторонних сил э. д. с.

источника численно равна напряжению между зажимами источника энергии при отсутствии в нем тока. Электродвижущая сила — скалярная величина, направление которой совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника, т. е. с направлением тока. Напряжение на участке цепи и э. д. с. являются функциями времени, либо сохраняют постоянные значения. Постоянные напряжения и э. д.

с. обозначают соответственно У и Е , Переменные напряжения и э. д. с. характеризуют мгновенными значениями и обозначают соответственно и = и (1) и е = е (1). Производная энергии по времени, т. е. скорость поступления энергии в текущий момент времени 1, представляет собой м г н о в е ни у ю м о щ н о с т ь участка цепи р = йо/Ж =- и1. (1.5) Как видно из выражения (1.5), мгновенная мощность риена произведениюмгноеенныхэначений напряжения и тока. 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, значение мгновенной мощности р отрицательно, в данный момент времени участок цепи отдает электрическую энергию остальной части цепи.

Подставляя выражение (1.5) в (1.4), выразим энергию, поступившую в участок цепи к моменту времени 1 = 1„через мгновенную мощ- ность и (1,) = ) рс(1. (1.6) (Р == ш (1г) — ш (11) = ) Рс(1. В системе единиц СИ работу и энергию выражают в д ж о у л я х (Дж), а мощность — в в а т т а х (Вт).

Схема электрической цепи Электрическая схема — это условное графическое изображение электрической пепи. В электротехнике и радиоэлектронике встречаются различные типы электрических схем: структурные, принципиальные и эквивалентные (расчетные) схемы. Структурная электрическая схема это условное графическое изображение реальной цепи, на котором отражены только важнейшие функциональные части цепи н основные связи между ними. Принципиальная электрическая схема представляет собой графическое изображение реальной цепи, на котором с помощью условных графических обозначений показаны все элементы цепи и все соединения между ними Каждому реальному элементу электрической цепи (транзистору, резистору, конденсатору, трансформатору и т. п.) соответствуют условные графическое и буквенное обозначения, определяемые действующими стандартами ЕСКД. Эквивалентной, нли расчетной, электрнчес к о й с х е м о й цепи называется условное графическое изображе- !2 Очевидно, что энергия Ю', поступившая в цепь за промежуток времени Л1 = 1ь — 1„также может быть выражена через мгновенную мощность р: ние моделирующей цепи, т.

е. цепи, составленной из идеализированных элементов, замещающей исследуемую реальную цепь в рамках решаемой задачи. Каждому идеализированному элементу цепи приваиваются определенные условные графическое и буквенное обозначения (эти обозначения не стандартизированы). Эквивалентная схема „пи может быть получена из принципиальной электрической схемы, сли каждый изображенный на ней реальный элемент заменить его эквивалентной схемой или схемой замещения.

С х е м а з а м е щ е н и я 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 обстоятельств (требуемая точность расчета, диапазон исследуемых частот, используемый метод расчета и т. п.) каждому элементу электрической цепи и всей цели в целом могут быть поставлены в соответствие различные моделируюгцие цели и различные эквивалентные электрические схемы, в частности: эквивалентные схемы пепи по постоянному и по переменному токам, для высоких и низких частот, для мгновенных значений токов и напряжений и для преобразованных токов и напряжений.

Отметим, что в целях компактности изложения в литературе часто не делается различий между моделирующей цепью (которая строится только мысленно) и эквивалентной схемой пепи (схемой замещения), при этом схема замещения непосредственно рассматривается как расчетная модель цепи. й 1М. ИДЕАЛИЗИРОВАННЫЕ ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Сопротивление Используемые в теории цепей идеализированные двухполюсиые элементы — сопротивление, емкость и индуктивность — являются пассивными, так как энергия, потребляемая ими от остальной части цепи в любой момент времени, положительна или равна нулю. С о и р о т и в л е н и е — идеализированный пассивный элемент, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется в какой- либо другой внд энергии, например в тепловую, механическую или световую.

Запасания энергии электрического или магнитного полей в сопротивлении не происходит. Термин «сопротивлениеэ используют не только для обозначения идеализированного элемента, но и как количественную характеристику способности этого элемента преобразовывать электрическую энергию в другие виды энергии.

По свойствам к идеализированному пассивному элементу — сопротивлению наиболее близки высококачественные резисторы— Реальные элементы электрической пепи, в которых электрическая энергия в основном преобразуется в тепловую. Важнейшей характеристикой резистора, которая определяет меру преобразования электрической энергии в тепловую, является его сопротивление. Помимо основного пропесса — преобразования электрической энергии в теп- !3 ю) б) а) Рнс 1.3.

Статические вольт.амперные характеристики раз- личных резистнвных элементов Рис. 1ла Условное графическое обозначение сопротивле- ния Соответствующие зависимости, полученные для постоянных токов и напряжений, нли; точнее, для случая бесконечно медленно изменяющихся тонов и напряжений, получили название с т а т и ч е с к и х вольт-амперных характеристик (рис.

1.3, а — в). Зависимости между мгновенными значениями тока и напряжения на зажимах резистора называются д и н а м и ч е с к и м и вольт-ампернымн характеристиками. Используя зависимость между мгновенными значениями токов и напряжений на зажимах резистора, можно определить его с т а т и- «> Использование термина «сопротивление», а также вводимых далее терминов «емкость» н «индуктивность». не только в качестве характервстнк реального и идеализированного элементов, но н в качестве названий идеализированных элементов является не вполне удачным н оправдывается только компактностью изложения.