Электрические цепи для чайников: определения, элементы, обозначения. Линейные и нелинейные элементы электрической цепи При каких условиях электрическая цепь является линейной

Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и индуктивности.

Сформулируйте законы Кирхгофа. Что отражают они физически?

Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий - отрицательным:

Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:

Физический смысл второго закона Кирхгофа

Второй закон устанавливает связь между падением напряжения на замкнутом участке электрической цепи и действием источников ЭДС на этом же замкнутом участке. Он связан с понятием работы по переносу электрического заряда. Если перемещение заряда выполняется по замкнутому контуру, возвращаясь в ту же точку, то совершенная работа равна нулю. Иначе бы не выполнялся закон сохранения энергии. Это важное свойство потенциального электрического поля описывает 2 закон Кирхгофа для электрической цепи.

Физический смысл первого закона Кирхгофа

Первый закон устанавливает связь между токами для узлов электрической цепи. Он вытекает из принципа непрерывности, согласно которому суммарный поток зарядов, образующих электрический ток, проходящих через любую поверхность равен нулю. Т.е. количество прошедших зарядов в одну сторону равно количеству зарядов, прошедших в другую сторону. Т.е. количество зарядов никуда не может деться. Они не могу прост исчезнуть.

сколько уравнений составляется по первому закону Кирхгофа и сколько по второму?

Кол-во уравнений, первый закон Кирхгофа = Кол-во узлов – 1

Кол-во уравнений, второй закон Кирхгофа = Кол-во ветвей – Кол-во узлов + 1

Понятие независимого контура. Чему равно число независимых контуров в любой цепи?

Независимый контур - это замкнутый участок электрической цепи, проложенный через ветви цепи, содержащий хотя бы одну новую ветвь, неиспользованную при поиске других независимых контуров.

понятия узел, ветвь, электрическая цепь.

Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и способом их соединения. Соединение элементов электрической цепи наглядно отображается ее схемой. Рассмотрим для примера две электрические схемы (рис. 1, 2), введя понятие ветви и узла.

Ветвью называется участок цепи, обтекаемый одним и тем же током.

Узел – место соединения трех и более ветвей.

Что такое потенциальная диаграмма как она строится?

Под потенциальной диаграммой понимают график распределения потенциала вдоль какого-либо участка цепи или замкнутого контура. По оси абсцисс на нем откладывают сопротивления вдоль контура, начиная с какой-либо произвольной точки, по оси ординат - потенциалы. Каждой точке участка цепи или замкнутого контура соответствует своя точка на потенциальной диаграмме.

Каковы особенности режимов работы аккумуляторной батареи?

Метод наложения его достоинства и недостатки

Сущность метода эквивалентного генератора и способы определения параметров активного двухполюсника

Этот метод применяется в тех случаях, когда требуется рассчитать ток в какой-либо одной ветви при нескольких значениях ее параметров (сопротивления и ЭДС) и неизменных параметрах всей остальной цепи. Сущность метода заключается в следующем. Вся цепь относительно зажимов интересующей нас ветви представляется как активный двухполюсник, который заменяется эквивалентным генератором, к зажимам которого подключается интересующая нас ветвь. В итоге получается простая неразветвленная цепь, ток в которой определяется по закону Ома. ЭДС Е Э эквивалентного генератора и его внутреннее сопротивление R Э находятся из режимов холостого хода и короткого замыкания двухполюсника.

Сущность метода контурных токов и напряжения двух узлов.

Метод контурных токов можно применить для расчета сложных электриче­ских цепей, имеющих больше двух узловых точек. Сущность метода контурных токов заключается в предположении, что в ка­ждом контуре проходит свой ток (контурный ток). Тогда на общих участках, расположенных на границе двух соседних контуров, будет протекать ток, равный алгебраической сумме токов этих контуров.

Режимы работы источников питания.

Покажите, что условием максимальной передачи мощности от источника к приемнику электрической энергии является равенство R вн= R н

Электромагнитное устройство с осуществляемыми в нем, а также в окружающем его пространстве физическими процессами, в теории электрических цепей заменяет определенный расчетный эквивалент, называемый электроцепью.

Электромагнитные процессы в такой цепи описываются понятиями «ток», «ЭДС», «напряжение», «индуктивность», «емкость» и «сопротивление». Электрическая цепь существует при этом в двух вариантах:

• линейная:
• нелинейная.

Линейная электрическая цепь

Электрические цепи с постоянными параметрами считаются в физике такими цепями, в которых сопротивления резисторов $R$, индуктивность катушек $L$ и емкость конденсаторов $С$ будут постоянными и не зависимы от действующих в цепи напряжений, токов и напряжений (линейные элементы).

При условии независимости сопротивления резистора $R$ от тока, линейная зависимость между током и падением напряжения выражается на основании закона Ома, то есть:

Вольтамперная характеристика резистора при этом представляет собой прямую линию.

При независимости индуктивности катушки от величины тока, протекающего в ней, потокосцепление самоиндукции катушки $ф$ оказывается прямо пропорциональным этому току:

При условии независимости емкости конденсатора С от приложенного к обкладкам напряжения $uc$, накопленный на пластинах заряд $q$ и напряжение $uc$ оказываются связанными между собой через линейную зависимость.

При этом линейность сопротивления, индуктивности, а также емкости носит сугубо условный характер поскольку в действительности все реальные элементы электроцепи не линейны. При прохождении через резистор тока он будет нагреваться с изменением сопротивления.

При этом в нормальном рабочем режиме элементов подобные изменения обычно настолько несущественны, что при расчетах не берутся во внимание (такие элементы считаются в электрической цепи линейными).

Транзисторы, функционирующие в режимах, когда применяются прямолинейные участки их вольтамперных характеристик, условно также могут рассматриваться в формате линейных устройств.

Определение 1

Электрическая цепь, которая будет состоять из линейных элементов, называется линейной. Такие цепи характеризуют линейные уравнения для токов и напряжений и заменяются линейными схемами замещения.

Нелинейная электрическая цепь

Определение 2

Нелинейной электрической цепью считается та, которая содержит один или несколько нелинейных элементов.

Нелинейный элемент в электроцепи имеет параметры, зависимые от определяющих их величин. Нелинейная электрическая цепь имеет ряд важных отличий от линейной и в ней зачастую возникают специфические явления.

Нелинейные элементы характеризуют статические $R_{ст}$, $L_{ст}$, и $C_{ст}$ и дифференциальные $(R_д, L_д, C_д)$ параметры. Статические параметры нелинейного элемента определяются в виде отношения ординаты избранной точки характеристики к ее абсциссе:

$F_{ст} = \frac{yA}{YX}$

Дифференциальные параметры нелинейного элемента определяются в форме отношения малого приращения ординаты выбранной точки характеристики к малому приращению ее абсциссы:

$F{диф} = \frac{dy}{B}$

Методы расчета нелинейных цепей

Нелинейность параметров элементов усложняется расчетом цепи, поэтому рабочим участком выбирается или линейный, или близкий к нему участок характеристики. При этом рассматривается с допустимой точностью элемент как линейный. При невозможности этого применяются специальные методы расчета, такие, как:

• графический метод;
• метод аппроксимации.

Идея графического метода ориентирована на построение характеристик элементов цепи (вольт–амперной $u(i)$, вебер–амперной $ф(i)$ или кулон–вольтной $q(u)$) и их последующем графическом преобразовании с целью получения соответствующей характеристики для всей цепи или какого-то из ее участков.

Графический метод расчета считается наиболее простым и наглядным в использовании, обеспечивающим необходимую точность. В то же время, его применяют при незначительном количестве нелинейных элементов в цепи, поскольку он требует максимальной аккуратности при проведении графических построений.

Идея метода аппроксимации направлена на замену аналитическим выражением экспериментально полученной характеристики нелинейного элемента. Различают такие виды:

• аналитическая аппроксимация (при которой характеристика элемента заменяется на аналитическую функцию);
• кусочно–линейная (при ней характеристика элемента заменяется комплексом прямолинейных отрезков).

Точность аналитической аппроксимации определяет правильность выбора аппроксимирующей функции и подбор соответствующих коэффициентов. Преимуществом кусочно–линейной аппроксимации выступает простота при применении и возможность рассматривать элемент в формате линейного.

Более того, в ограниченном диапазоне изменений сигнала, где его, благодаря трансформациям, можно считать линейным (режим малого сигнала), нелинейный элемент (с допустимой точностью) можно заменить эквивалентным линейным активным двухполюсником:

$U = E + R_{диф} I$,

где $R_{диф}$ –дифференциальное сопротивление нелинейного элемента на линеаризуемом участке.

Электротехническое устройство с происходящими в нем и в окружающем его пространстве физическими процессами в теории электрических цепей заменяют некоторым расчетным эквивалентом – электрической цепью.

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической и других видов энергии и (или) информации.

Электромагнитные процессы в цепи и ее параметры могут быть описаны с помощью понятий: ток, напряжение (разность потенциалов), заряд, магнитный поток, электродвижущая сила, сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих вполне определенные функции и называемых элементами цепи.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой .

Зависимость тока, протекающего по элементу электрической цепи, от напряжения на этом элементе называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) элемента. Элементы, ВАХ которых описываются линейными уравнениями и изображаются прямыми линиями, называют линейными элементами, а цепи, содержащие только линейные элементы – линейными цепями .

Элементы, ВАХ которых не являются прямыми линиями, называют нелинейными, а электрические цепи с нелинейными элементами – нелинейными электрическими цепями .

У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов) , с помощью которых он соединяется с другими элементами. Различают двухполюсные и многополюсные (трехполюсные, четырехполюсные и т.д.) элементы цепи.

Электрические цепи подразделяют на неразветвленные и разветвленные. В неразветвленной электрической цепи все ее элементы соединены последовательно и по ним течет один и тот же ток. В разветвленной электрической цепи имеются ветви и узлы, причем в каждой ветви течет свой ток.

Ветвь – это участок электрической цепи, образованный последовательно соединенными элементами (по которым течет одинаковый ток) и заключенный между двумя узлами.

Узел – это точка цепи, в которой соединяется не менее трех ветвей.

На электрических схемах узел помечают точкой.

По назначению все элементы электрической цепи можно разделить на активные и пассивные.

Активные элементы – источники или генераторы служат для преобразования различных видов энергии в электрическую. К ним относятся электромеханические или электронные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы и т.д.

Пассивные элементы цепи – приемники или нагрузки служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Сюда можно отнести электрические двигатели, нагревательные приборы, лампы накаливания и др.

Настоящее пособие посвящено в основном рассмотрению электрических цепей, в которых сопротивления, индуктивности и емкости не зависят от значений и направлений токов и напряжений. Такие электрические цепи, как и сами элементы, из которых они состоят, называются линейными, так как напряжение и ток в каждом элементе связаны между собой линейным уравнением – алгебраическим или дифференциальным.

Действительно, в случае, если параметр R не зависит от u и i , то закон Ома (1.1) выражает линейную зависимость между напряжением и током.

Если L и С не зависят от u и i , то напряжение и ток связаны линейными дифференциальными уравнениями (1.4) в случае индуктивности и (1.8) в случае емкости.

Что касается активных элементов линейных электрических цепей, то условием линейности идеального источника напряжения является независимость величины ЭДС от тока, проходящего через источник, а условием линейности идеального источника тока является независимость тока от напряжения на его зажимах.

Реальные электротехнические и радиотехнические устройства, строго говоря, не подчиняются линейному закону. При прохождении тока через проводник выделяется тепло, проводник нагревается и его сопротивление изменяется. С изменением тока в катушке индуктивности с ферромагнитным сердечником соотношение между потокосцеплением и током, т. е. параметр L , не остается постоянным. В зависимости от диэлектрика в большей или меньшей степени изменяется и емкость конденсатора в функции от заряда (или приложенного напряжения). К нелинейным устройствам относятся, кроме того, электронные, ионные и полупроводниковые приборы, параметры которых зависят от тока и напряжения.

Если в рабочем диапазоне, на который рассчитывается то или иное устройство, т.е. при заданных ограниченных пределах изменений напряжения, тока и т.п., закон линейности с достаточной для практики степенью точности сохраняется, то такое устройство рассматривается как линейное.

Исследование и расчет линейных цепей сопряжены, как правило, с меньшими трудностями, чем исследование и расчет нелинейных цепей. Поэтому в тех случаях, когда линейный закон достаточно близко отражает физическую действительность, цепь рассматривается как линейная.

В радиоэлектронике и автоматике напряжение и ток, подводимые к цепи, принято называть воздействующей функцией или входным сигналом, а напряжение и ток, возникающие при этом в какой-либо интересующей нас части цепи, называют реакцией цепи или выходным сигналом (в литературе встречается также термин отклик (от английского «respons»)). Сигналы можно рассматривать как функции времени.

В линейной электрической цепи соблюдаются принципы наложения и пропорциональности сигналов.

Принцип наложения заключается в том, что если входным сигналам f 1вх (t ) и f 2вх (t ), порознь подводимым к цепи, соответствуют выходные сигналы f 1вых (t ) и f 2вых (t ), то суммарному входному сигналу f 1вх (t ) + f 2вх (t ) будет соответствовать выходной сигнал f 1вых (t ) + f 2вых (t ).

Принцип пропорциональности состоит в том, что входному сигналу Аf вх (t Аf вых (t ), где А - постоянный множитель.

Если с течением времени параметры и схема цепи сохраняются неизменными, то цепь называется инвариантной во времени.

Допустим, что заданная линейная цепь до момента t = 0 пассивна. Условие инвариантности цепи во времени означает, что если входному сигналу f вх (t ) соответствует выходной сигнал f вых (t ), то входному сигналу f вх (t+ t), запаздывающему по сравнению с первым на время t, будет соответствовать выходной сигнал f вых (t+ t).

Отсюда можно заключить, что для линейных электрических цепей, инвариантных во времени, выполняется следующее условие: дифференцирование или интегрирование входного сигнала влечет за собой дифференцирование или соответственно интегрирование выходного сигнала. Действительно, пусть по условию инвариантности входному сигналу f вх (t+ Dt ) соответствует выходной f вых (t+ Dt ). Если за входной сигнал принять , то по условию линейности и инвариантности цепи выходной сигнал будет равен: . Устремив Dt к нулю в пределе получим входной и выходной сигналы и .

Цель : Экспериментальное исследование сложных электрических цепей постоянного тока методом компьютерного моделирования. Проверка опытным путем метода расчета сложных цепей постоянного тока с помощью первого и второго законов Кирхгофа. электрический сложный цепь кирхгоф

Электрической цепью называют совокупность источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводами, предназначенную для передачи и преобразования электрической энергии. Источники электрической энергии характеризуются величиной ЭДС E , измеряемой в вольтах (В), и внутренним сопротивлением r , измеряемым в омах (Ом).

Приемниками электрической энергии в электрических цепях могут быть катушка индуктивности, конденсатор, аккумуляторная батарея в режиме зарядки, электрическая машина в режиме двигателя, лампа накаливания, электрическая печь и другие электрические компоненты. В них происходит необратимое (электрические печи) или обратимое (конденсатор, катушка индуктивности и аккумуляторная батарея) преобразование электрической энергии в другие ее виды. В цепях постоянного тока мы будем далее рассматривать только так называемые диссипативные элементы, которые не могут накапливать электрическую или магнитную энергию. Полученная ими электрическая энергия необратимо преобразуется в другие виды энергии, например в тепло. Все эти приемники - лампы накаливания, электрические печи и другие пассивные приемники мы будем представлять в виде резисторов, которые характеризуются основным параметром - электрическим сопротивлением R , равным отношению постоянного напряжения U между выводами резистора к постоянному току I , протекающему в нем, т. е.: R=U/I . Величина электрического сопротивления R , измеряется в омах (Ом).

Для расчета простых электрических цепей используют закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС. Например, если между двумя точками а и b в электрической цепи включены только пассивные элементы - резисторы, то закон Ома для этого участка цепи запишется:

Если же участок цепи a-b содержит источник ЭДС E ab , то ток, протекающий по этому участку, будет определяться формулой:

Здесь - ток, протекающий по участку ab ,

Напряжение на участке ab , т.е. напряжение между точками a и b ;

Суммарное сопротивление всех пассивных элементов, включенных на участке ab цепи между точками a и b ;

ЭДС, действующая на участке ab . Эта ЭДС входит в выражение со знаком плюс, если ее направление совпадает с направлением тока, и со знаком минус, если ее направление противоположно направлению тока.

При последовательном соединении резисторов R 1 и R 2 их сопротивления складываются, т.е. эквивалентное сопротивление в этом случае будет равно:

При параллельном соединении тех же двух резисторов их эквивалентное сопротивление находится по формуле:

Сложной электрической цепью называют такую цепь, которая не может быть сведена только к последовательному или параллельному соединению источников и приемников электрической энергии (рис. 1.1).

Линейной электрической цепью называют электрическую цепь, содержащую приемники и источники электрической энергии, параметры которых (сопротивления и проводимости) остаются постоянными и не зависят от величины и направления протекающего через них тока. Зависимость тока от приложенного напряжения в таких приемниках (резисторах) изображается прямой линией, а сами резисторы называются линейными резисторами.

Сложные электрические цепи имеют несколько узлов и ветвей, а также могут иметь и несколько источников питания. Ветвью электрической цепи называют участок схемы, состоящий из нескольких последовательно соединенных элементов, по которым протекает один и тот же ток. Узлом электрической цепи называют точку соединения, к которой подходит не менее трех ветвей.

Расчет сложной линейной электрической цепи заключается в определении токов во всех ветвях и сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа для данной электрической цепи.

Решение системы алгебраических уравнений представляет собой достаточно трудоемкую работу, объем которой возрастает с увеличением числа неизвестных при увеличении сложности электрической цепи.

В целях сокращения числа уравнений, решение которых даст искомые величины и определит режим электрической цепи, разработаны различные методы расчета линейных электрических цепей: например, метод контурных токов, где уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа, или метод узловых потенциалов, когда уравнения составляются только по первому закону Кирхгофа.

В данной лабораторной работе экспериментально исследуется метод расчета электрических цепей с помощью составления и решения уравнений по первому и второму законам Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа формулируется следующим образом: сумма притекающих к узлу токов равна сумме вытекающих из узла токов или алгебраическая сумма токов в узле равна нулю, т. е.

Например, для узла b (см. рис. 1.1):

Второй закон Кирхгофа гласит: в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения на всех сопротивлениях этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре, т. е.

Например, для контура abda :

R 1 ·I 1 +R 3 ·I 3 =E 1. (1.6)

Для контура cbdc :

R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2. (1.7)

Запишем уравнения (1.6) - (1.7) в канонической форме. Для этого расположим неизвестные в уравнениях в порядке их нумерации и заменим отсутствующие члены членами с нулевыми коэффициентами:

I 1 +I 2 -I 3 = 0

R 1 ·I 1 + 0·I 2 +R 3 ·I 3 = E 1

0·I 1 +R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2 ,

или в матричной форме:

После подстановки численных значений ЭДС и сопротивлений полученная система уравнений решается известными из математик и методами, например методом Крамера или методом Гаусса. Можно решить эту систему и в интегрированном пакете MATHCAD.

В любой электрической цепи выполняется закон сохранения энергии, т. е. мощность, развиваемая источниками электрической энергии равна сумме мощностей, потребляемых приемниками электрической энергии. Этот баланс мощностей записывается следующим образом:

Выполнение работы (вариант 1)

1) «Собрала» на экране монитора электрическую схему (рис. 1.1), параметры элементов которой должны быть установлены на компьютере в соответствии с вариантом (табл. 1.1).

Таблица 1.1

3. Составила систему уравнений по законам Кирхгофа для исследуемой цепи, подставив в эти уравнения вместо сопротивлений и ЭДС их величины.

I 1 -I 2 +I 3 = 0,

R 1 ·I 1 + R 2 ·I 2 +0·I 3 = E 1 ,

• 0·I 1 +R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2.
• 4. Решила полученную систему методом обратной матрицы в программе Excel (Рис.1. Решение системы уравнений методом обратной матрицы) и результаты расчета занесла в табл. по форме 1.1. Сравнить расчетные токи с измеренными ранее в лабораторной работе.

Рис. 1

5. Проверила баланс мощностей по равенству:

В ходе работы я провела экспериментальное исследование сложных электрических цепей постоянного тока методом компьютерного моделирования. Сравнив результаты данного своего эксперимента, я убедилась, что результаты совпали. Значит, метод расчета сложных цепей постоянного тока с помощью двух законов Кирхгофа доказан опытным путем.