Электрическая цепь и её элементы¶

Электрическая цепь — совокупность устройств и элементов, соединённых так, что по ним может протекать электрический ток. В общем случае цепь включает источники электрической энергии, приёмники (потребители), соединительные проводники и элементы управления и защиты. Электрическая цепь является базовым объектом изучения электротехники и теории электрических цепей — дисциплины, описывающей процессы с помощью моделей тока, напряжения, сопротивления и других величин.

¶Понятие и модель

Реальному устройству в теории сопоставляется схема замещения — идеализированная модель, состоящая из идеальных элементов. Основными величинами служат сила тока (в амперах), напряжение (в вольтах), сопротивление (в омах), а также мощность (в ваттах). Для мгновенных значений токов и напряжений выполняются законы Кирхгофа: первый — для узлов (алгебраическая сумма токов в узле равна нулю), второй — для контуров (сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна сумме ЭДС). Совместно с законом Ома эти правила позволяют рассчитывать режимы цепи.

¶Классификация

Цепи различают по ряду признаков:

• По роду тока: цепи постоянного тока и цепи переменного тока (синусоидального, несинусоидального).
• По составу элементов: линейные, в которых параметры элементов не зависят от тока и напряжения, и нелинейные, где такая зависимость есть (например, цепи с диодами, транзисторами, лампами накаливания).
• По характеру процессов: установившиеся режимы и переходные процессы, возникающие при коммутациях.
• По топологии: неразветвлённые (последовательные) и разветвлённые, содержащие узлы с несколькими ветвями.
• По числу источников: с одним источником и с несколькими (в том числе с распределёнными источниками).

¶Основные элементы

Источники — устройства, создающие ЭДС или ток: гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы, фотоэлементы. Различают идеальные источники напряжения и тока и реальные, обладающие внутренним сопротивлением.

Резистор — элемент с заданным сопротивлением, преобразующий электрическую энергию в тепловую. Служит для ограничения тока, деления напряжения, задания режимов работы.

Конденсатор — элемент, запасающий энергию в электрическом поле; его параметр — ёмкость (в фарадах). В цепи переменного тока он оказывает реактивное сопротивление, зависящее от частоты.

Катушка индуктивности — элемент, запасающий энергию в магнитном поле; характеризуется индуктивностью (в генри). Её реактивное сопротивление растёт с частотой.

Проводники и соединительные линии — обеспечивают протекание тока между элементами. В реальных цепях учитывают их сопротивление, а на высоких частотах — индуктивность и ёмкость.

Коммутационные и защитные устройства — выключатели, рубильники, реле, предохранители, автоматические выключатели, разрядники.

¶Соединения элементов

При последовательном соединении элементы включаются друг за другом, и через них протекает один и тот же ток; общее сопротивление равно сумме сопротивлений. При параллельном соединении элементы подключены к общим узлам, напряжение на них одинаково, а токи складываются; складываются также проводимости. Смешанное соединение сочетает оба вида. Для расчёта сложных цепей применяют методы контурных токов, узловых потенциалов, эквивалентного генератора, а также принцип наложения.

¶Режимы работы

Различают режимы: номинальный, при котором элементы работают в допустимых пределах; холостой ход, когда цепь разомкнута и ток равен нулю; короткое замыкание, когда сопротивление нагрузки близко к нулю и ток резко возрастает; согласованный, при котором на нагрузке выделяется максимальная мощность (сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника). В цепях переменного тока важны явления резонанса напряжений и токов, а также учёт активной, реактивной и полной мощности, коэффициента мощности.

¶Расчёт и измерение

Анализ цепей опирается на законы Ома и Кирхгофа, методы эквивалентных преобразований и символический (комплексный) метод для переменного тока. Измерения выполняют амперметрами, вольтметрами, ваттметрами, мультиметрами, осциллографами. Амперметр включают последовательно с участком, вольтметр — параллельно.

¶Значение и применение

Электрические цепи лежат в основе всей электротехники и электроники: систем электроснабжения, электропривода, освещения, связи, вычислительной техники, бытовых приборов. В России подготовка специалистов по расчёту и проектированию цепей ведётся в технических вузах в рамках направлений «Электротехника», «Электроэнергетика», «Радиотехника». Теория цепей служит теоретической базой для проектирования как мощных энергетических установок, так и интегральных микросхем.

¶Интересные факты

• Понятие цепи и правила Кирхгофа сформулированы в середине XIX века и остаются рабочим инструментом до сих пор.
• Идеальных элементов в природе нет: любой реальный элемент обладает паразитными параметрами — сопротивлением, ёмкостью, индуктивностью.
• Один и тот же физический объект может описываться разными схемами замещения в зависимости от требуемой точности и диапазона частот.

Источники: учебники по теоретическим основам электротехники, справочники по электротехнике и электронике, курсы теории электрических цепей технических вузов.