ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Истоками теории электрических цепей в качестве раздела ТЭ в значительной мере являются технические задачи передачи и распространения энергии и анализ режимов в электрических цепях. В этом разделе теории наиболее остро встали проблемы создания математических моделей реальных устройств. Для относительно простых электрических цепей постоянного тока топология цепей и их эквивалентных схем совпадали и, таким образом, математические модели цепей

и эквивалентные им идеальные цепи, представленные в виде электрических схем, были тождественны. Но даже в этих простых моделях и эквивалентных им схемах нашли отражение принципы перехода от ЭМП с распределенными в пространстве и во времени векторами напряженностей электрического Е и магнитного Н полей к идеализированным цепям с сосредоточенными параметрами (R, L, С) и интегральными величинами (токи, напряжения, заряды и потоко‑сцепления). Именно при расчете параметров эквивалентных схем наиболее полно выявилась неразрывная связь между задачами теории ЭМП и физическими и математическими проблемами создания математических моделей. Например, практика передачи сигналов при помощи азбуки Морзе показала существенное влияние длины линии связи на уровень сигнала. Особенно остро эта проблема встала при попытке осуществить трансатлантическую телеграфную связь в середине XIX в. Решению этой проблемы способствовало понимание физической природы этого явления, связанного с особенностями временных и пространственных изменений токов и напряжений линии, на основе которого и были сформулированы уравнения в частных производных, названные телеграфными или волновыми. Несмотря на то обстоятельство, что теория электрических цепей с распределенными параметрами в середине XIX в. родилась для решения специфических задач линий связи, понятия бегущих, отраженных, преломленных волн и волнового сопротивления в середине XX столетия вошли также в теорию четыреполюсников, электрических фильтров, цепных схем, формирующих формы сигналов цепей и др. Решение ряда задач, для которых была характерна необходимость более детального описания ЭМП в реальных устройствах, также было связано с формированием математических моделей в форме телеграфных уравнений. Методы решения таких уравнений были использованы для расчета волновых процессов в электрических машинах, трансформаторах, ЛЭП. Разработанный в ТЭ математический аппарат, методы и понятия для расчета распространения электромагнитной волны в цепях с распределенными параметрами дали возможность практически с одних и тех же позиций исследовать процессы и в миниатюрных слаботочных интегральных схемах и в охватывающей всю страну сильноточной ЕЭС.

Важным в теории электрических цепей является раздел, относящийся к расчету и анализу установившихся и переходных процессов в линейных цепях (ЛЦ) с сосредоточенными параметрами. Математические модели реальных устройств, как правило, являются упрощенными, идеализированными образами исходных физических процессов. Степень соответствия этих образов исходным зависит от уровня понимания физических процессов и возможности математически строго и достаточно полно учитывать характерные особенности процессов и свойств сред. Математические модели физических процессов в реальных системах в основном характеризуются нелинейными уравнениями. Одной из основных задач ТЭ в течение первой половины XX в. являлась разработка методов создания математических моделей. Для этого необходимо было правильное понимание картины протекания физических процессов. По этой причине в ТЭ большое место занял раздел под названием «Физические основы электротехники». В развитии этого раздела большой вклад внесла отечественная школа теоретических основ электротехники, созданная В.Ф. Миткевичем, К.А. Кругом, Л.Р. Нейманом, П.Л. Калантаровым, К.М. Поливановым, А.В. Нетушилом и их учениками. Были выработаны критерии, позволяющие для большого количества реальных устройств и режимов их работы выделить такие математические модели, которые в первом приближении допускают линеаризацию и описываются системой дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Сочетание методов решения таких уравнений и метода последовательных приближений применительно к линеаризованным моделям дало возможность отыскать более точные решения нелинейных задач для устройств, математические модели которых описывались нелинейными уравнениями.

Развитие методов расчета ЛЦ происходило в течение всего XX в., первоначально преимущественно для цепей с периодическими токами и напряжениями и простых цепей при ЭДС, несинусоидальной формы кривой. Предложенный Ч.П. Штейнмецем метод использования комплексных чисел для расчета установившихся процессов в цепях с синусоидальными токами и напряжениями в сочетании с разложением периодических несинусоидальных функций в ряд Фурье стал основным инструментом для расчета ЛЦ. В России и СССР основными пропагандистами этих методов стали К.А. Круг, В.Ф. Миткевич, Г.Е. Евреинов, А.И. Берг и др. Применение комплексного метода позволяло алгебраизировать интегродифференциальные уравнения и производить расчеты сложных электрических цепей. В связи со скромными возможностями используемых до середины 50‑х годов технических средств вычислений (логарифмические линейки, механические счетные устройства) большое значение приобрели методы, позволяющие снизить порядок уравнений. Наряду с предложенным еще Д.К. Максвеллом методом контурных токов и узловых напряжений в практику расчетов были введены методы эквивалентного генератора, симметричных составляющих, эквивалентных преобразований и др. Существенное развитие теории линейных систем и электрических цепей связано с описанием динамических процессов в них при помощи метода переменных состояния (Т. Башков, Л. Заде, Ч. Дезоер, Ю.В. Ракитский, К.С. Демирчян, В.Г. Миронов, П.Н. Матха‑нов, П.А. Бутырин и др.), позволившего более продуктивно использовать классические математические формы описания системы дифференциальных уравнений (уравнения Коши) и возможности ЭВМ. По мере усложнения конфигурации электрических цепей для расчета установившихся процессов в сложных электрических цепях были предложены методы расщепления цепей на четырехполюсные и многополюсные подцепи (Э.В. Зелях, 1931 г.; Г.Е. Пухов, 1949 г.; Р.А. Воронов, 1951 г.; В.П. Сигорский, 1954 г.; Г.Т. Адонц, 1951 г. и др.) с привлечением новых разделов тензорного анализа (Г. Крон), диакоптики (Г. Крон, А.З. Гамм, Л.А. Крумм, И.А. Шер, М.А. Шакиров, О.Т. Гераскин, В.А. Строев и др.) и матричной алгебры (В.П. Сигорский, А.И. Петренко, В.Г. Миронов и др.). Специфика расчета электрических цепей, особенно ЕЭС, породила новое направление в теории матриц, связанное с использованием особенностей слабозаполненных матриц для упрощения процедуры их обращения (Н. Сато и К. Тинней, 1963 г.). Методы обращения слабозаполненных матриц, разработанные в ТЭ с учетом возможностей ЭВМ, легли в основу специального раздела прикладной математики и оказались продуктивными и для других областей техники. Тождественность математических моделей и идеализированных электрических цепей позволила отыскать физические аналоги для различных математических процедур. Например, физически наглядно можно представить прямой и обратный ходы Гаусса, а также тензорный метод Крона с его элементарными контурами через процедуру сворачивания схемы электрической цепи при помощи представления влияния тока в одной ветви на напряжение другой через индуктивную связь (М.А. Шакиров). В электроэнергетике нашел широкое применение метод симметричных составляющих не только для расчета цепей, но также для создания аппаратуры с целью улучшения качества преобразования электрической энергии и создания теории и методов измерения мощности и электрической энергии (А.Н. Милях, А.К. Шидловский, И.М. Чиженко, Г.М. Торбенков, Ф.А. Крогерис и др.).

Для ТЭ характерно стремление разработать такие теоретические методы, которые обеспечивают возможность произвести качественный и количественный анализ результатов решения конкретной задачи. С этой точки зрения использование матричных методов без применения современных ЭВМ вплоть до 70‑х годов носило больше методический, чем прикладной характер. Именно стремление довести решение задачи до аналитических выражений для выяснения общих свойств решаемой задачи помимо получения численных результатов в 50‑х годах породило методы: матрично‑топологичёские (Л.Д. Кудрявцев, Э.А. Меерович, Э.В. Зелях, В.А. Тафт, В.П. Сигорский и др.), алгебраические (К.Т. Ванг, С. Беллерт, Г. Возняцки, Я.К. Трохименко, П.Ф. Хасанов) и сигнальных графов (С. Мэзон, Г. Циммерман П.А. Ионкин, и др.). Однако для цепей с большим количеством узлов и контуров расчеты, произведенные по этим методам для вычисления определителя матрицы и ее алгебраических дополнений, оказались громоздкими. На практике эти методы оказываются малопродуктивными для анализа электрических цепей, поскольку выражение для определителя цепи даже с шестью узлами при взаимном соединении всех узлов будет содержать 6 4 = 1296 слагаемых. Не намного более продуктивным оказался и метод сигнальных графов по тем же причинам. Однако эти методы сыграли важную методическую роль и позволили по‑иному формировать математические модели для многочисленных прикладных задач с уравнениями низкого порядка.

Важным новым направлением развития теории электрических цепей стала диагностика их параметров и состояния. Задачи, связанные с диагностикой, приобрели определяющее значение при управлении процессами в электрических цепях и системах. Особенно острыми они стали при организации диспетчерской службы ЕЭС страны для принятия оперативных решений по управлению эффективным распределением потоков электромагнитной энергии в ней.

Для решения этой задачи требуется знание текущего состояния системы т.е. ее структуры и параметров элементов системы, для чего и необходимо провести диагностику системы: определить путем измерений и расчетов параметры, необходимые для управления состоянием системы (или электрической цепи), и организовать проверку достоверности результатов диагностики. В решение этой проблемы заметный вклад внесли Н.В. Киншт, П.А. Бутырин, А.З. Гамм и др.

В теории линейных цепей особое положение занимают цепи с переменными во времени параметрами. Математический аппарат, пригодный для представления решения уравнений процессов в аналитической форме, существенно менее развит, чем таковой для линейных цепей, и в этом основная причина сложности создания пригодной для практики теории расчета процессов в таких цепях. Общие решения и анализ их свойств содержится во многих работах (в частности, Л. Заде и Ч. Дезоер «Теория линейных систем», К.С. Демирчян и П.А. Бутырин «Моделирование и машинный расчет электрических цепей», В.А. Тафт «Электрические цепи с переменными параметрами»). Исследованию специфических свойств таких цепей, в частности случаю периодичности изменения параметров цепей, посвящены многие работы. В таких цепях при помощи нахождения соответствующих преобразований иногда оказывается возможным свести их к цепям с постоянными параметрами. Этот случай характерен для описания процессов в электрических машинах (А.А. Горев).

Определение 1

Теорией электрических цепей считается комплекс наиболее общих закономерностей, что используется с целью описания процессов в электрических цепях.

Теория электроцепей основывается на двух постулатах:

• исходном предположении теории электрических цепей (подразумевает, что в любых электротехнических устройствах все процессы можно описать такими понятиями, как «напряжение» и «ток»);
• исходное допущение теории электроцепей (предполагает, что сила тока в какой-либо точке сечения проводника будет одной и той же, при этом напряжение между двумя взятыми точками пространства будет изменяться, согласно линейному закону).

Основные понятия в теории электрических цепей

Электрическая цепь состоит из:

• источников тока (генераторов);
• потребителей электромагнитной энергии (приемников).

Замечание 1

Источником считается устройство, создающее токи и напряжения. В качестве такового могут выступать устройства, как аккумуляторы, генераторы, ориентированные на преобразование разных видов энергии (химической, тепловой и др.) в электрическую.

В основе теории электроцепей положен принцип моделирования. При этом, реальные электрических цепи заменяют некоторой идеализированной моделью, которая складывается из взаимосвязанных элементов.

Определение 2

Под элементами при этом понимают идеализированные модели разных устройств, которым приписывают определенные электрические свойства с отображением с заданной точностью явлений, происходящих в реальных устройствах.

Пассивные элементы в теории электрической цепи

К пассивным элементам в теории электроцепи относят сопротивление, представляющее ее идеализированный элемент, который будет характеризовать преобразование электромагнитной энергии в какой-либо иной вид энергии, что подразумевает его обладание исключительно свойством необратимого рассеяния энергии. Модель, математически описывающая свойства сопротивления, определяется законом Ома:

Здесь $R$ и $G$− это параметры участка цепи, которые называются сопротивление и проводимость соответственно.

Мгновенная мощность, которая поступает в сопротивление:

Определение 3

Реальный элемент, по своим свойствам приближающийся к сопротивлению, называют резистором.

Индуктивностью считается идеализированный элемент электроцепи, характеризующий энергию магнитного поля, запасенную в сети. Емкостью считается идеализированный элемент электроцепи, характеризующий энергию электрического поля.

Активные элементы в теории электрической цепи

К активным элементам в теории электроцепи относят источник ЭДС. В качестве идеализированного источника тока, или генератора тока, выступает источник энергии, ток которого не будет зависимым от напряжения на его зажимах.

В случае неограниченного увеличения сопротивления цепи, подсоединенной к идеальному источнику электротока, развиваемая им мощность и соответственно, напряжение на его зажимах также будут неограниченно возрастать. Источник тока конечной мощности изображают в формате идеального источника с параллельным подключением внутреннего сопротивления.

Важное значение имеет то, что входные зажимы источников, которые управляются напряжением, разомкнуты, а у источников, управляемых током, соединенные накоротко.

Различают 4 вида зависимых источников:

• источник напряжения, который управляется напряжением (ИНУН);
• источник напряжения, который управляется током (ИНУТ);
• источник тока, управляемый напряжением (ИТУН);
• источник тока, который управляется током (ИТУТ).

В ИНУН входное сопротивление будет бесконечно большим, а выходное напряжение связывают с входным равенством $U_2=HUU_1$, где $HU$−коэффициент передачи по напряжению. ИНУН считается идеальным усилителем напряжения.

В ИНУТ входным током управляет выходное напряжение $U_2$, входная проводимость при этом бесконечно велика:

Где $HZ$−передаточное сопротивление.

В ИТУН выходной ток $I_2$ управляется соответственно входным напряжением $U_1$, причем $I_1=0$ и ток $I_2$ связан с $U_1$ равенством $I_2=HYU_1$, где $HY$−передаточная проводимость.

В ИТУТ управляющим током выступает $I_1$, а управляемым $I_2$. $U_1=0$, $I_2=HiI_1$, где $Hi$−коэффициент передачи по току. ИТУТ представляет идеальный усилитель тока.

Описание работы и расчет (моделирование) электрических устройств можно проводить на базе теории электромагнитного поля. Этот подход приводит к сложным математическим моделям (системам дифференциальных уравнений в частных производных) и используется в основном при анализе сверхвысокочастотных устройств и антенн.

Значительно проще и удобнее моделировать электрические устройства на основе уравнений электрического равновесия токов и напряжений. На этой основе построена теория электрических цепей .

Заряд, ток, напряжение, мощность, энергия

Электрическим зарядом называют источник электрического поля, через которое заряды взаимодействуют друг с другом . Электрические заряды могут быть положительными (ионы) и отрицательными (электроны и ионы). Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются. Величина заряда измеряется в кулонах (К).

Величина (сила) тока равна отношению бесконечно малого заряда (количества электричества)
, переносимого в данный момент временичерез поперечное сечение проводника за бесконечно малый интервал времени
к величине этого интервала,

. (1.1)

Ток измеряется в амперах (А), в технике широко используют значения в миллиамперах (1 мА=10 -3 А), микроамперах (1 мкА=10 -6 А) и наноамперах (1 нА=10 -9 А), значения дольных приставок приведены в приложении 1.

Электрический потенциал некоторой точки – это величина, равная отношению потенциальной энергии, которой обладает зарядв этой точке, к величине заряда,

. (1.2)

Потенциальная энергия равна энергии, затрачиваемой на перенос заряда из данной точки с потенциаломв точку с нулевым потенциалом.

Если - потенциал точки 2, а- точки 1, то напряже-

ние между точками 2 и 1 равно

. (1.3)

Напряжение измеряется в вольтах (В), используются значения в киловольтах (кВ), милливольтах (мВ) и микровольтах (мкВ).

Ток и напряжение характеризуются направлением, которое указывается стрелкой, как показано на рис. 1.1. Они задаются произвольнодо начала расчетов . Желательно, чтобы ток и напряжение для одного элемента цепи имели быодинаковые поло-

Рис. 1.1 жительные направления. Обозначения могут

иметь индексы, например, напряжение
между точками 1 и 2 на рис. 1.1.

Численные значения тока и напряжения характеризуются знаком. Если знак положительный, то это означает, что истинное положительное направление совпадает с заданным, а иначе они противоположны.

Движение зарядов в электрической цепи характеризуются энергией имощностью . Для перемещения бесконечно малого заряда
между точками 1 и 2 с напряжением
в цепи на рис. 1.1 необходимо затратить бесконечно малую энергию
, равную

, (1.4)

тогда энергия цепи в интервале времени от дос учетом (1.1) определяется выражением

. (1.5)

При постоянных токе
и напряжении
энергия равнаи неограниченно растет с течением времени. Это относится и к общему выражению (1.5), что делает энергию цепи достаточно неудобной технической характеристикой.

Мгновенная мощность
зависит от времени и может бытьположительной (цепь потребляет энергию извне) иотрицательной (цепь отдает ранее накопленную энергию).

Средняя мощность всегда неотрицательна , если внутри цепи отсутствуют источники электрической энергии.

Энергия измеряется в джоулях (Дж), а мгновенная и средняя мощности – в ваттах (Вт).

1.3. Элементы электрической цепи

Элемент – это неделимая часть электрической цепи. В физической цепи (радиоприемнике) имеются физические элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и т.д.). Они имеют сложные свойства и математический аппарат их точного описания на основе теории электромагнитного поля.

При расчете электрической цепи необходимо разработать достаточно точные, простые и удобные с инженерной точки зрения модели физических элементов, которые в дальнейшем будем называтьэлементами .

Инженерные модели в электротехнике строятся на основе физических представлений о взаимосвязи в них тока и напряжения. Свойства резистивных двухполюсных (с двумя выводами) элементов описываются вольтамперными характеристиками (ВАХ) – зависимостью тока через элементот приложенного к нему напряжения. Эта зависимость может быть прямолинейной (для резистора на рис. 1.2а) или нелинейной (для полупроводникового диода на рис.1.2б).

Элементы с прямолинейной ВАХ называют линейными , а иначе –нелинейными . Аналогично рассматриваются емкостные элементы, для которых используют кулон – вольтную характеристику (зависимость накопленного заряда от приложенного напряжения), и индуктивные с использованием вебер - амперной характеристики (зависимости магнитного потока от протекающего через элемент тока).

1.4. Модели основных линейных элементов цепи

Основными линейными элементами электрической цепи являются резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Их условно-графические обозначения показаны на рис. 1.3 (сверху указаны названия физических элементов, а внизу – их моделей).

Сопротивление (модель резистора) в соответствии с рис. 1.4 строится на основе закона Ома в классической формулировке,

, (1.10)

где- параметр модели, называемыйсопротивлением , а-проводимостью ,

. (1.11)

Рис. 1.4

Как видно из (1.10), сопротивление – это линейный элемент (с прямолинейной ВАХ). Его параметр - сопротивление - измеряется в Омах (Ом) или внесистемных единицах – килоомах (кОм), мегаомах (Мом) или гигаомах (ГОм). Проводимостьопределяется выражением (1.11), обратна сопротивлению и измеряется в 1/Ом. Сопротивление и проводимость элементане зависят от величин тока и напряжения.

В сопротивлении ток и напряжение пропорциональны друг другу, имеют одинаковую форму.

Мгновенная мощность электрического тока в сопротивлении равна

Как видно, мгновенная мощность в сопротивлении не может быть отрицательна , то есть сопротивление всегдапотребляет мощность (энергию), преобразуя ее в тепло или другие виды, например, в электромагнитное излучение. Сопротивление – это модель диссипативного элемента, рассеивающего электрическую энергию.

Емкость (модель конденсатора) в соответствии с рис.1.5 формируется исходя из того, что накопленный в ней заряд пропорционален приложенному напряжению,

. (1.13)

Параметр модели – емкость - не зависит

Рис. 1.5 от тока и напряжения и измеряется в фарадах

(Ф). Величина емкости 1 Ф очень велика, на практике широко используются значения в микрофарадах (1 мкФ = 10 -6 Ф), нанофарадах (1 нФ = 10 -9 Ф) и пикофарадах (1 пФ = 10 -12 Ф).

Подставляя (1.13) в (1.1), получим модель для мгновенных значений тока и напряжения

.

Из (1.14) можно записать обратное выражение для модели,

Мгновенная электрическая мощность в емкости равна

. (1.16)

Если напряжение положительно и увеличивается с течением времени (его производная больше нуля), то мгновенная мощность положительна и емкостьнакапливает в себе энергию электрического поля. Аналогичный процесс имеет место, если напряжение отрицательно и продолжает уменьшаться.

Если же напряжение емкости положительно и падает (отрицательно и растет), то мгновенная мощность отрицательна , а емкостьотдает во внешнюю цепь ранее накопленную энергию.

Таким образом, емкость – это элемент, накапливающий электрическую энергию (подобно банке, в которой накапливается вода, и из которой она может выливаться), потери энергии в емкости отсутствуют .

Накопленная в емкости энергия определяется выражением

Индуктивность (модель катушки индуктивности) формируется исходя из того, что потокосцепление
, равное произведению магнитного потока(в веберах) на число витков катушки, прямо пропорционально протекающему через нее току(рис. 1.6),

, (1.18)

где - параметр модели, который называетсяиндуктивностью и измеряется в генри (Гн).

Рис. 1.6 Величина 1 Гн – это очень большая ин-

дуктивность, поэтому используют внесистемные единицы: миллигенри (1 мГн = 10 -3 Гн), микрогенри (1 мкГн = 10 -6 Гн) и наногенри (1 нГн = 10 -9 Гн).

Изменение потокосцепления в индуктивности вызывает электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции
, равную

(1.19)

и направленную противоположно току и напряжению, тогда
и модель катушки индуктивностидля мгновенных значений тока и напряжения принимает вид

Можно записать обратное выражение модели,

Мгновенная электрическая мощность в индуктивности равна

. (1.22)

Если ток положителен и растет, или отрицателен и падает, то мгновенная мощность положительна и индуктивностьнакапливает в себе энергию магнитного поля. Если же ток индуктивности положителен и падает (отрицателен и растет), то мгновенная мощностьотрицательна , и индуктивностьотдает во внешнюю цепь ранее накопленную энергию.

Таким образом, индуктивность (как и емкость) – это элемент, только накапливающий энергию, потери энергии в индуктивности отсутствуют .

Накопленная в индуктивности энергия равна

Законы Ома для элементов цепи

Рассмотренные модели элементов электрической цепи, определяющие взаимосвязь между мгновенными значениями токов и напряжений, будем в дальнейшем называть законами Ома для элементов цепи, хотя собственно закон Ома относится лишь к сопротивлению.

Эти соотношения сведены в табл. 1.1. Они являются линейными математическими операциями и относятся только к линейным элементам.

В нелинейных элементах связь между током и напряжением существенно сложнее и в целом может быть описана нелинейными интегро-дифференциальными уравнениями, для которых отсутствуют общие методы решения.

Таблица 1.1

Законы Ома в элементах цепи для мгновенных значений тока и напряжения

	Зависимость тока от напряжения	Зависимость напряжения от тока

Расчет тока и напряжения в элементах цепи

В качестве примера проведем расчет напряжения на элементах цепи при заданной зависимости тока от времени, показанной на рис. 1.7.

Математически эту зависимость можно записать

Рис. 1.7 в виде

(1.24)

Необходимо помнить, что в (1.24) время измеряется в миллисекундах, а ток- миллиамперах.

Тогда в показанном на рис. 1.4. сопротивлении при
кОм напряжение равно
(рис. 1.8а) и мощность
(рис. 1.8б). Формы временных диаграмм тока и напряжения в сопротивлении совпадают, а произведение двух прямолинейных зависимостей
и
дает параболические кривые изменения мощности
.

В емкости (рис.1.5)
мкФ мгновенные значения тока и напряжения связаны между собой выражениями (1.14) или (1.15). Для тока (рис.1.7) вида (1.24) из

(1.25)

получим формулу для напряжения на емкости в вольтах

(1.26)

Расчет при
1 мс выполняется очевидно. При

интеграл (1.25) записывается в виде

(1.27)

На интервале времени
мс интеграл (1.25) имеет вид

иявляется константой. Временная диаграмма
показана на рис. 1.9. Как видно, на интервале времени
мс, пока действует импульс тока, происходит заряд конденсатора, а затем напряжение заряженной емкости не меняется. На рис. 1.10а показана зависимость от времени мгновенной мощности

Рис. 1.9 (1.16), а на рис. 1.10б – накоп-

ленной в емкости энергии
(1.17). Как видно, емкость только накапливает энергию, так как разряд не происходит (ток вида рис. 1.7 принимает только положительные значения).

Для получения формулы мощности
необходимо перемножить выражения (1.24) и (1.26) на соответствующих

временных интервалах (получим полином третьей степени ).

Энергия
определяется из (1.17) при подстановке (1.26), что приводит к полиномам четвертой степени.

Для индуктивности рис. 1.6
Гн при токе, показанном на рис. 1.7 напряжение
определяется выражением (1.20)

, (1.29)

тогда при подстановке (1.24) для
в вольтах получим

(1.30)

Эта зависимость показана на рис. 1.11. При графическом дифференцировании прямолинейных зависимостей на рис. 1.7 получим на соответствующих интервалах времени константы, что соответствует рис. 1.11.

Мощность определяется выражением (1.22), тогда для
в милливаттах получим

(1.31)

Зависимость
показана на рис. 1.12а. Накопленная в индуктивности энергия вычисляется по формуле (1.23), тогда график
имеет вид, показанный на рис. 1.12б.

Как видно, мгновенная мощность с ростом тока на интервале времени от 0 до 1мс прямо пропорционально увеличивается, а накопленная в индуктивности энергия растет по квадратичному закону. Когда ток начинает падать при
, то напряжение
и мощность
становятся отрицательными (рис. 1.11 и рис. 1.12а), а это означат, что индуктивность отдает ранее накопленную энергию, которая начинает снижаться по квадратичному закону (рис. 1.12б).

Расчет сигналов и энергетических характеристик в элементах цепи R,LиCможно провести с помощью программыMathCAD.

Идеальные источники сигнала

Электрические сигналы (токи и напряжения) возникают в цепи при воздействии на нее источников. Физические источники – это батареи и аккумуляторы, формирующие постоянные ток и напряжение, генераторы переменных напряжений различной формы и другие электронные устройства. На их зажимах (полюсах) возникает напряжение (разность потенциалов) и через них протекает ток за счет электрохимических процессов или других сложных физических явлений. В физике их обобщенное действие характеризуютэлектродвижущей силой (ЭДС) .

Для расчета электрических цепей необходимы модели источников сигнала. Простейшими из них являютсяидеальные источники .

Графическое изображение (обозначение) идеального источника напряжения показано на рис. 1.13 в виде окружности со стрелкой, указывающей положительное направление ЭДС
. На полюсах источника возникает напряжение
, которое при указанных положительных направлениях равно ЭДС,

(1.32)

Если изменить положительное

направление ЭДС или напряжения (сделать их встречными ), в формуле появитсязнак минус .

К источнику подключается нагрузка и тогда через нее протекает ток
. Свойства источникапостоянного напряжения или тока описываются еговольтамперной характеристикой (ВАХ) – зависимостью тока от напряжения
. Идеальный источник напряжения с ЭДС, равнойимеет вольтамперную характеристику, показанную на рис. 1.14. Если рассматривается источник переменного сигнала, то от токане зависят все его пара-

Рис. 1.14 метры .

Как видно, с ростом тока при постоянном напряжении мощность, отдаваемая идеальным источником напряжения в нагрузку, стремится к бесконечности . Это является следствием выбранной идеальной модели (формы ВАХ) и ее недостатком, так как любой физический источник не может отдать бесконечную мощность.

Графическое изображение идеального источника тока
показано на рис. 1.15а в виде окружности, внутри которой указано положительное направление тока. При подключении нагрузки на полюсах источника возникает напряжение
с указанным положительным направлением.

На рис. 1.15б показана ВАХ идеального источника постоянного тока. И для этой модели с ростом напряжения мощность, отдаваемая источником в нагрузку, стремится к бесконечности.

1.8. Основы топологического описания цепи

Электрической цепью называют совокупность соединенных между собой источников, потребителей и преобразователей электрической энергии, процессы в которых описываются в терминах тока и напряжения.

Физическая электрическая цепь (электронное устройство) состоит из физических элементов – резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов, транзисторов и большого числа других электронных элементов. Каждый из них имеет условно-графическое обозначение в соответствии со стандартом – единой системой конструкторской документации (ЕСКД). Соединение этих элементов между собой графически представляется принципиальной схемой цепи (фильтра, усилителя, телевизора). Пример принципиальной схемы транзисторного усилителя показан на рис. 1.16.

Сейчас мы не будем обсуждать работу усилителя и на-

значение его элементов, а лишь отметим условно-графические обозначения использованных элементов, которые отдельно показаны на рис. 1.17. Жирной точкой отмечены электрические соединения элементов.

Рис. 1.17 Как видно, графические

обозначения резистора и конденсатора совпадают с обозначениями их моделей - сопротивления и емкости, а обозначения других отличаются.

Для расчета цепей используют их эквивалентные схемы илисхемы замещения , которые показывают соединения моделей элементов, образующих электрическую цепь. Каждый физический элемент принципиальной схемы заменяется соответствующей моделью, которая может состоять из одной или нескольких простейших идеальных моделей (сопротивления, емкости, индуктивности или источников сигнала). Примеры моделей физических элементов показаны на рис. 1.18.

Резистор и конденсатор чаще всего представляются своими идеальными моделями с теми же условно-графическими обозначениями. Катушка индуктивности может быть представлена идеальной индуктивностью, однако в ряде случаев необходимо учитывать ее сопротивление потерь . В этом случае модель катушки индуктивности представляется последовательным соединением идеальной индуктивности и сопротивления, как показано на рис. 1.18.

На рис. 1.19 в качестве примера показаны принципиальная схема параллельного соединения катушки индуктивности и конденсатора (такую цепь называютпараллельным колебательным контуром ) и эквивалентная схема этой цепи (катушка индуктивности заме-

нена последователь-

ным соединением Рис. 1.19

идеальной индуктив-

ности и сопротивления).

Эквивалентная схема цепи является ее топологическим описанием . С геометрической точки зрения в нем можно выделить следующие основные элементы:

Ветвь – последовательное соединение нескольких, в том числе и одного, двухполюсных элементов, в том числе и источников сигнала;

- узел - точка соединения трех и более ветвей;

- контур – замкнутое соединение двух и более ветвей.

На рис. 1.20 показан пример эквивалентной схемы цепи с обозначением ветвей, узлов (жирными точками) и контуров (замкнутыми линиями). Как видно, узел может представлять

собой не одну точку соединения, а несколько (распределенный узел, охваченный пунктирной линией).

В теории цепей существенное значение имеет число узлов эквивалентной схемы и число ветвей. Для цепи на рис. 1.20 имеется
узлов и
ветвей, одна из которых содержит только идеальный источник тока.

1.9. Соединения элементов цепи

Двухполюсные элементы электрической цепи могут соединяться между собой различным образом. Различают два простейших соединения: последовательное и параллельное.

Последовательным называют такое соединение двухполюсников, при котором через них протекает одинаковый ток. Его пример показан на рис. 1.21. В состав цепи на рис. 1.21 входит пассивные (RиC) и активные (идеальные источники напряжения
и
) эле-

Рис. 1.21 менты, через которые проте-

кает один и тот же ток
.

В сложной цепи (например, на рис. 1.20) можно выделять простые фрагменты (ветви) с последовательным соединением элементов (ветвь с источником
, пассивные ветви
и
).

Не имеет смысла соединять последовательно два идеальных источника тока или идеальный источник напряжения с идеальным источником тока.

Параллельным называют соединение двух и более ветвей с одной и той же парой узлов, при этом напряжения на параллельных ветвях одинаковы. Пример показан на рис. 1.22. Если ветви содержат по одному элементу, то говорят о параллельном соединении элементов. Например, на рис. 1.22 идеальный источник тока
и сопротивление Рис. 1.22

соеди нены параллельно.

Не имеет смысла соединять параллельно идеальные источника напряжения или идеальный источник напряжения с идеальным источником тока.

Смешанным называют соединение элементов (ветвей) цепи, которое нельзя рассматривать как последовательное или параллельное. Например, схема на рис. 1.21 является последовательным соединением элементов, а на рис. 1.22 –параллельным соединением ветвей, хотя в ветвях
и
элементы соединены последовательно.

Схема на рис. 1.20 является типичным представителем смешанного соединения, и в ней можно выделить лишь отдельные фрагменты с простыми соединениями.

1.10. Законы Кирхгофа для мгновенных значений сигналов

Два закона Кирхгофа устанавливают уравнения электрического равновесия между токами в узлах и напряжениями в контурах цепи.

Под алгебраическим суммированием понимают сложение или вычитание соответствующих величин.

Можно использовать и другую формулировку первого закона Кирхгофа: сумма мгновенных значений втекающих в узел токов равна сумме мгновенных значений вытекающих токов .

Пример схемы цепи показан на рис. 1.23, она повторяет схему на рис. 1 20 с указанием положительных направлений и обозначений токов и напряжений во всех элементах, а также номеров узлов (в кружках).

В цепи четыре узла и для каждого из них можно записать уравнение первого закона Кирхгофа для мгновенных значений токов ветвей,

Узел 1:
;

Узел 2:
;

Узел 3:
.

Нетрудно убедиться, что если просуммировать уравнения для узлов
и умножить результат на -1, то получим уравнение для узла 0. Следовательно, одно из уравнений (любое) линейно зависимо от остальных, и должно быть исключено. Таким образом, система уравнений по первому закону Кирхгофа для цепи рис. 1.23 может быть записана в виде

Очевидно, можно записать и другие варианты этой системы уравнений, но все они будут эквивалентны.

Физическим обоснованием первого закона Кирхгофа является принцип не накопления заряда в узле цепи. В любой момент времени заряд, поступивший в узел от втекающих токов должен быть равен заряду, покидающему узел за счет вытекающих токов.

Для выбора знаков в алгебраических суммах необходимо задать положительное направление обхода контура (чаще всего его выбираютпо часовой стрелке ). Тогда, если направление напряжения или ЭДС совпадает с направлением обхода, то в алгебраической сумме записывается знак плюс, а иначе – знак минус.

Независимыми называют контуры, которые отличаются друг от друга хотя бы одной ветвью.

В схеме на рис. 1.23
,
(одна ветвь содержит идеальный источник тока) и
. Тогда в ней имеется
независимых контура. Как видно, общее число контуров существенно больше.

Выберем следующие независимые контуры:

C 1 ,R 2 ,C 2 ,C 3 ,

C 3 R 3 ,L,R 4 ,

с положительным направлением обхода по часовой стрелке и для них запишем уравнения второго закона Кирхгофа в виде

(1.34)

Можно выбрать и другие независимые контуры, например,

C 1 ,R 2 ,C 2 ,C 3 ,

E,R 1 ,R 2 ,C 2 ,C 3 ,

и для них записать уравнения второго закона Кирхгофа, которые будут эквивалентны системе (1.34).

Второй закон Кирхгофа базируется на фундаментальном законе природы – законе сохранения энергии. Сумма напряжений на элементах замкнутого контура равна работе по переносу единичного заряда в пассивных элементах контура, а сумма ЭДС – работе сторонних сил в идеальных источниках напряжения по переносу в них того же единичного заряда. Так как в результате заряд возвратился в исходную точку, то эти работы должны быть одинаковы.

1.11. Реальные источники сигнала

Рассмотренные выше идеальные источники напряжения и тока не всегда пригодны для формирования адекватных моделей электронных устройств. Основная причина этого - возможность передачи ими в нагрузку бесконечной мощности. В этом случае используют усложненные модели источников сигнала, которые называют реальными.

Эквивалентная схема (модель) реального источника напряжения показана на рис. 1.24. В ее состав входят идеальный источник напряжения
ивнутреннее сопротивление реаль-

ного источника. К источнику подключено сопротивление нагрузки
. По второму закону Кирхгофа можно записать

, (1.35)

а по закону Ома для сопротив-

Рис. 1.24 ления

. (1.36)

Подставляя (1.36) в (1.35) получим

,

откуда следует уравнение для вольт-амперной характеристики реального источника напряжения

, (1.37)

график которой для постоянных значений тока и напряжения приведен на рис. 1.25. Пунктирной линией показана вольтамперная характеристика идеального источника напряжения. Как видно, в реальном источнике максимальный ток ограничен , а

Рис. 1.25 значит отдаваемая им мощность не

может быть бесконечной.

При постоянном напряжении мощность, отдаваемая реальным источником (рис. 1.24) в нагрузку, равна

. (1.38)

Зависимость
при
В и
Ом показана на рис. 1.26. Как видно, максимальная мощность реального источника ограничена

чена и равна
при
. Рис. 1.26

Вольтамперная характеристика реального источника напряжения при
стремится к характеристике идеального источника рис. 1.14. Таким образом, можно определить идеальный источник напряжения какреальный источник с нулевым внутренним сопротивлением (внутреннее сопротивление идеального источника напряженияравно нулю ).

Эквивалентная схема реального источника тока показана на рис. 1.27. В ее состав входит идеальный источник токаи внутреннее сопротивление, к источнику подключена нагрузка
. Уравнение первого закона Кирхгофа для одного из узлов цепи рис. 1.27 имеет вид

. (1.39) Рис. 1.27

По закону Ома
, тогда из (1.39) получим выражение для вольт-амперной характеристики реального источника тока

. (1.40)

Для постоянного тока эта зависимость показана на рис. 1.28. Как видно, максимальное напряжение, выдаваемое источником в нагрузку, ограничено величиной
при бесконечном сопротивлении нагрузки. Мощность постоянного

Рис. 1.28 тока, отдаваемая в нагрузку, равна

. (1.41)

Она имеет вид, аналогичный рис. 1.26, соответствующий график при
мА и
Ом постройте самостоятельно. Максимум мощности достигается при
и равен
.

При стремящемся к бесконечности внутреннем сопротивлении вольтамперная характеристика реального источника тока стремится к характеристике идеального источника (рис. 1.15б). Тогдаидеальный источник можно рассматривать как реальный с бесконечным внутренним сопротивлением .

Сравнивая вольтамперные характеристики реальных источников напряжения и тока на рис. 1.25 и рис. 1.28, нетрудно убедиться, что они могут быть одинаковы при условиях

(1.42)

Это означает, что эти источники при условии (1.42)

эквивалентны , то есть в схемах замещения электрических цепейреальный источник напряжения можно заманить реальным источником тока и наоборот . Для идеальных источников такая замена невозможна.

1.12. Система уравнений электрической цепи

для мгновенных значений токов и напряжений

На основе законов Ома и Кирхгофа можно сформировать систему уравнений, связывающих между собой мгновенные значения токов и напряжений. Для этого необходимо выполнить следующие действия (рассмотрим их на примере цепи рис. 1.29).

Уравнения связи между током и напряжением в элементах или ветвях цепи называютподсистемой компонентных уравнений . Число уравнений равно количеству пассивных элементов или ветвей цепи. Как видно, в состав подсистемы входят дифференциальные или интегральные соотношения между токами и напряжениями.

В рассматриваемом примере для узлов 1, 2 и 3 эти уравнения имеют вид, например, (1.32)

(1.44)

Всего формируется
уравнений.

В схеме на рис. 1.29 выбранные три независимых контура отмечены круговыми линиями со стрелкой, указывающей положительное направление обхода. Для них уравнения второго закона Кирхгофа имеют вид (1.34)

(1.45)

Общее количество уравнений равно
.

Уравнения, сформированные по первому и второму законам Кирхгофа, называют подсистемой топологических уравнений , так как они определяются схемой (топологией) цепи. Общее количество уравнений в ней равно числу ветвей, не содержащих идеальные источники тока.

Совокупность подсистем компонентных и топологических уравнений образуют полную систему уравнений электрической цепи для мгновенных значений токов и напряжений, которая является полной моделью цепи.

Из компонентных уравнений нетрудно выразить все напряжения через токи ветвей, тогда для цепи на рис. 1.29 из (1.43) получим

(1.46)

(1.46’)

Подставляя (1.46) в уравнения второго закона Кирхгофа вида (1.45), получим систему уравнений для токов ветвей

(1.47)

Рассмотренный подход к формированию уравнений электрического равновесия цепи называют методом токов ветвей . Количество полученных уравнений равно числуветвей цепи,не содержащих идеальные источники тока .

Как видно, модель линейной цепи для мгновенных значений токов и напряжений вида (1.43), (1.44), (1.45) или (1.47) является линейной системой интегро-дифференциальных уравнений .

1.13. Задания для самостоятельного решения

Задание 1.1 . Напряжение
на емкостиCизменяется, как показано на рис. 1.30. Получите выражение для тока емкости
, мгновенной мощности
и накопленной энергии
, по-

стройте графики полу- Рис. 1.30

ченных функций.

Задание 1.2 . Напряжение
на сопротивленииRизменяется, как показано на рис. 1.31. Получите выражение для напряжения емкости
, по-стройте график
(через
необходимо оп-

ределить ток
,

а затем – напря- Рис. 1.31

жение
).

Задание 1.3 . Напряжение
на параллельном соединении сопротивленияRи индуктивностиLизменяется, как показано на рис. 1.32. Запишите выражение для общего тока
, постройте его график (необходимо

найти токи ветвей, а за- Рис. 1.32

тем их сумму – ток
).

Задание 1.4 . В схемах цепей, показанных на рис. 1.33, определите число узлов и ветвей, количество уравнений по первому и второму законам Кирхгофа.

Задание 1.5 . Для цепей, эквивалентные схемы которых показаны на рис. 1.33, запишите полные системы уравнений по закону Ома, первому и второму законам Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений элементов.

Задание 1.6 . Для цепи, показанной на рис. 1.34, запишите полную систему уравнений по законам Ома и Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений элементов.

Лекция №1

Лекция №1
Тема: «Основные
понятия теории
электрических
цепей»

Учебные вопросы

1. Введение.
2. Понятие об электрической цепи.
3. Основные электрические величины:
электрический ток, напряжение,
ЭДС, мощность и энергия.
4. Идеализированные пассивные
элементы. Схемы замещения реальных
элементов электрических цепей.
5. Идеализированные активные элементы.
Схемы замещения реальных источников.

Литература

1. Попов В.П. Основы теории цепей:
Учебник для вузов спец.
"Радиотехника".-М.: Высшая школа,
2007, с. 6-36.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В.
Электротехника: Учебник для
студентов неэлектрических
специальностей вузов.–М.: Высшая
школа, 2003, с. 4-15.

Содержание и предмет дисциплины
«Теория электрических цепей»
Содержание дисциплины составляют задачи
анализ и синтеза линейных и нелинейных
электрических цепей, изучение как с
качественной, так и с количественной стороны
установившихся и переходных процессов,
протекающих в различных электронных
приборах и устройствах.
Предметом теории цепей является разработка инженерных
методов исследования процессов в электротехнических и
радиоэлектронных устройствах, основанных на замене этих
устройств упрощенными моделями, процессы в которых
описываются в терминах токов и напряжений.

Состав электрической цепи

ГОСТ Р52002-2003
«Электротехника.
Термины и
определения
основных понятий»
Электрическая
цепь
Электрическая цепь –
это
совокупность
устройств
и
объектов,
образующих
путь
для
электрического
тока,
электромагнитные
процессы в которых могут
быть описаны с помощью
понятий
об
электродвижущей
силе,
электрическом
токе
и
электрическом напряжении.
Источники
электрической
энергии
Приемники
электрической
энергии
Вспомогательные
элементы

Последовательное соединение
проводников
Принципиальная схема
Монтажная схема

Параллельное соединение
проводников
Принципиальная схема
Монтажная схема

Основные допущения и
принципы теории цепей
В теории цепей предполагается:
каждый элемент цепи полностью характеризуется
зависимостью между током и напряжениями на
его зажимах, при этом процессы, имеющие место
внутри элементов, не рассматриваются.
В основе теории электрических цепей
лежит принцип моделирования. В
соответствии с этим принципом реальные
элементы цепи заменяются их упрощенными
моделями, построенными из идеализированных
элементов.

Идеализированные двухполюсные элементы

ИДЭ
Идеальный
резистор
Идеальная
индуктивная катушка
Идеальный
конденсатор
Идеальный
источник
напряжения
Идеальный
источник
тока

Понятие об электрическом токе

Электрический ток проводимости – явление направленного
движения свободных носителей электрического заряда в
веществе или в пустоте, количественно характеризуемое
скалярной величиной, равной производной по времени от
электрического заряда, переносимого свободными
носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность.
q dq
i (t) lim
t 0 t
dt
q q
i(t) I const
t t
Постоянный электрический ток – это неизменное во времени
однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов).
Условное положительное направление тока при расчетах
электрических цепей может быть выбрано совершенно
произвольно.

Электрические величины и единицы
их измерения
Мгновенное значение тока равно
скорости изменения заряда во
времени:
q dq
i lim
.
t 0 t
dt
Андре-Мари
Ампер 1775 - 1836
Единица измерения тока в системе СИ –
ампер (А).
Электротехника и электроника
Слайд 4
Довгун В.П.

Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр.
Заряд, протекающий через данное поперечное сечение проводника в
единицу времени, характеризует электрический ток.
Ток в цепи измеряют специальным прибором - амперметром.
Схема включения: амперметр включается в электрическую
цепь последовательно с элементом, в котором он измеряет
электрический тока.
Амперметр - электрический прибор для измерения силы тока.
Амперметр
Амперметр
лабораторный технический
Амперметр
демонстрационный
АМПЕР Андре Мари
(22.I 1775 - 10.VI 1836)
французский физик,
математик и химик
Условное
обозначение на
схемах

Понятие о напряжении

1
A
А E dl FЭ dl
qA
q
A
B
Edl
B
В
u А B E dl
А
Электрическое напряжение между точками А и В электрической цепи
(или разность потенциалов точек А и В) – это работа
совершаемая силами электрического поля по перемещению
единичного положительного заряда по произвольному пути из
точки А в точку В поля и равная линейному интегралу
напряженности электрического поля.

Понятие о напряжении

w dw
u lim
q 0 q
dq
Напряжение между точками А и В электрической
цепи может быть определено как предел
отношения энергии электрического поля w,
затрачиваемой на перенос положительного
заряда q из точки А в точку В к этому заряду при
Единица измерения напряжения
в системе СИ – вольт(В).
q 0

Луиджи Гальвани (1737-1798)

Опыт Луиджи Гальвани с лапками лягушки

Алессандро Вольта(1745-1827)

Гальванический (или химический) элемент
Алессандро Вольта

Понятие об ЭДС

Электродвижущая сила –
скалярная величина,
численно равная работе
сторонних сил,
затрачиваемая на
перемещение единичного
положительного заряда
внутри источника от
зажима с меньшим
потенциалом к зажиму с
большим потенциалом.
Независимо от природы сторонних сил ЭДС источника
численно равна напряжению между зажимами источника
энергии при отсутствии в нем тока, т.е. в режиме холостого
хода.

Электрическое напряжение. Единицы
напряжения. Вольтметр
Вольтметр –
электрический
прибор для
измерения
напряжения.
.
Схема включения:
вольтметр включается в
электрическую цепь
параллельно тому
элементу, на котором он
измеряет напряжение.
Условное обозначение на
схемах
ВОЛЬТА Алессандро (1745-1827) итальянский
физик и физиолог
Вольтметр технический
Вольтметр
лабораторный
Вольтметр лабораторный

Понятие о мощности и энергии

w dw
u lim
q 0 q
dq
dw udq uidt
Энергия,
затрачиваемая на
перемещение
заряда:
dw dq dw
p ui
dq dt dt
q
w udq
0
t
uidt

Понятие о мощности и энергии

Мгновенная мощность
участка цепи:
dw
p
ui .
dt
t
w(t)
pdt
Мощность
измеряется в
ваттах (Вт)
Джеймс Уатт
1736 – 1819
Энергия
измеряется в
джоулях (Дж)
W w(t 2) w(t1)
t2
pdt
t1
Джеймс Джоуль
1818 – 1889

Экспериментальное определение мощности
электрического тока
P U I
1Вт 1В А

Электрическая цепь может быть потребителем и
источником энергии
При совпадении знаков
напряжения и тока мощность
положительна. Это
соответствует потреблению
энергии участком цепи.
При несовпадении знаков
напряжения и тока мощность
отрицательна. Это означает,
что участок цепи является
источником энергии.
p ui 0
p ui 0

Резистивный элемент
Резистивный элемент –
идеализированный элемент, в
котором происходит только
необратимое преобразование
электромагнитной энергии в
тепло и другие виды энергии.

Условное графическое обозначение и ВАХ резистивного элемента

Резистивный элемент
Вольт-амперные характеристики нелинейных
резистивных элементов
Лампа накаливания
Полупроводниковый диод

Резистивный элемент
Если ВАХ – прямая, проходящая
через
начало
координат,
то
резистор называют линейным.
Закон Ома:
u R Ri R
i R Gu R
R – сопротивление
Георг Симон Ом
1789 – 1854
u Ri
Единица измерения сопротивления – Ом.

Резистивный элемент
Закон Ома:
i Gu
Проводимость:
G 1
Вернер фон Сименс
1816-1892
R
Единица измерения проводимости – Сименс
(См).
Электротехника и электроника
Слайд 14
Довгун В.П.

Электрическое сопротивление. Единицы
сопротивления. Закон Ома для участка цепи.
Омметр - электрический прибор для измерения сопротивления проводника.
Определение: сопротивление- мера противодействия проводника
установлению в нем электрического тока.
Обозначение: R.
Единица измерения: 1 Ом.
Определяющая формула:
U
R
I
Ом Георг Симон
(1787-1854 гг.)
немецкий физик
-удельное сопротивление вещества,
l - длина проводника, S - площадь поперечного
сечения проводника.
Схема включения:
омметр включается
аналогично амперметру
вместе с источником тока
и переменным резистором,
необходимым для
установки нуля шкалы.
Условное
обозначение на
схемах
Омметр лабораторный

Нагревание проводников электрическим
током. Закон Джоуля-Ленца.
U I R
A IUt I IRt I Rt
2
PR u R iR Ri R2 GuR2
t
t
t
WR (t) PR dt R i dt G u R2 dt 0
2
R
ДЖОУЛЬ ДЖЕЙМС
ПРЕСКОТТ
(1818–1889), английский
физик
Ленц Эмилий
Христианович
(1804-1865 гг.),
российский
физик
U
I
R
U
U 2t
A
Ut
R
R

Работа электрического тока
!
A Pt
1 Дж 1Вт с
1Вт ч 3600 Дж
1кВт ч 1000 Вт ч 3600000 Дж

Индуктивный элемент

Li
Вебер-амперная
характеристика
N
Ф
k 1
к
NФ

d
e
dt
Майкл Фарадей (1791-1867)

Закон электромагнитной индукции
Майкла Фарадея (открыт в 1831 г.)
d
e
dt
diL
u L e L
dt
1
iL
L
t
u
L
dt
diL
PL u L iL LiL
dt
Это закон устанавливает взаимосвязь между магнитными и
электрическими явлениями.
Формулировка: ЭДС электромагнитной индукции, в
контуре численно равна и противоположна по
знаку скорости изменения магнитного потока
сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Ёмкостной элемент

q=CUс
duC
iC C
dt
iC
dq
dq duC
dt
duC
dt
uC
1
C
t
i
C
dt
duC
PC uC iC cuC
dt

Схемы замещения реальных элементов электрической цепи

ВЫВОДЫ: 1.Чем выше требуемая точность, тем большее число
факторов принимается во внимание, и тем сложнее будет схема
замещения каждого элемента.
2. С целью снижения трудоемкости расчетов стремятся использовать
упрощенные схемы замещения, содержащие минимально
допустимое число элементов.
3. Схемы замещения одного и того же элемента могут иметь различный
вид в зависимости от рассматриваемого диапазона частот.

Идеальный источник напряжения (источник
напряжения, источник ЭДС) представляет собой
идеализированный активный элемент, напряжение
на зажимах которого не зависит от тока через эти
зажимы.
u=e(t)
2
2
p
1
R
u
1
R
e
(t)
i u / Rн (1 / Rн)e(t)
н
н
Идеальный источник напряжения можно
рассматривать как источник энергии, внутреннее
сопротивление которого равно нулю.

Идеальный источник тока (источник тока) -
это идеализированный активный элемент,
ток которого не зависит от напряжения на
его зажимах.
i=j(t)
u Rнi Rн j (t) p Rнi 2 Rн j 2 (t)
Идеальный источник тока можно рассматривать как источник
энергии с бесконечно малой внутренней проводимостью
(бесконечно большим внутренним сопротивлением).

Схемы замещения реальных источников

Внешние характеристики реальных источников

U E RвнI
E
J
Rв н
I J Gв нU
Gв н
1
Rв н
J
E
Gв н
Rв н
1
Gв н

Спасибо за внимание!!!

Основные понятия топологии цепей

Узел цепи является
независимым, если к
нему присоединена хотя
бы одна новая ветвь, не
подходящая к ранее
рассматриваемым
узлам.
Контур цепи является
независимым, если он
содержит хотя бы одну
новую ветвь, не
входящую в ранее
рассматриваемые
контуры.

Компонентные уравнения идеализированных элементов

uL L
diL
dt
uR = RiR
iR = GuR
iR
t
iL
1
u L dt
L
uR
R
uR
i
G
u = e(t)
i = j(t)
duC
iC C
dt
uC
1
C
t
i
C
dt
u = E – Ri i
i=J–Giu

Математическое моделирование ветвей электрической цепи на базе компонентных уравнений

u1 R1i1 L1
u 2 R2i2 ;
di3
u3 L3
;
dt
1
u 4 R3i4
C
di1
e;
dt
t
i
4
dt.

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа – это закон
баланса токов в разветвленной цепи,
формулируется для узлов электрической цепи.
Он гласит: алгебраическая сумма токов в
любом узле электрической цепи в любой
момент времени равна нулю, т.е.
m
i
k 1
k
(t) 0
I1 – I2 – I3 +J = 0.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа – это закон
баланса напряжений на замкнутых участках
цепи, формулируется для контуров
электрической цепи.
Он гласит: алгебраическая
сумма
напряжений в любом замкнутом
контуре в любой момент времени
равна нулю:
n
u
k 1
k
(t) 0

Второй закон Кирхгофа

Вторая формулировка второго
закона Кирхгофа: алгебраическая
сумма ЭДС в любом замкнутом
контуре цепи в любой момент
времени равна алгебраической
сумме падений напряжений на
элементах этого контура:
m
e
k 1
k
n
(t) u k (t)
k 1

Пример 1.

uR1 uba uJ uR 2 u12 uR3 ucd uR 4 0
e1 e4 R1i1 u J u12 R2i2 R3i3 R4i4

Пример 2.

1
di
Ri idt L
e(t)
C
dt

Основные задачи теории цепей

x(t) x1 (t), x2 (t),..., xn (t)
S (t) s1 (t), s2 (t),..., sm (t)
Задачи анализа цепи – это задачи, в которых по
известным внешнему воздействию x(t),
конфигурации и параметрам цепи определяют
реакцию цепи S(t).
Задачи синтеза – это задачи, в которых требуется
определить структуру и параметры цепи по
заданной реакции цепи S(t) на некоторое
внешнее воздействие x(t).

1 Перечень сокращений и условных обозначений.................................. 2

2 Задание на курсовую работу................................................................. 3

3 Комплексная схема замещения.............................................................. 6

4 Расчет токов по законам Кирхгофа....................................................... 9

5 Расчет токов по МКТ и КУП.................................................................. 11

5.1 Расчет токов по МКТ................................................................... 11

5.2 Расчет токов по МУП................................................................... 13

5.3 Сравнение токов в ветвях цепи..................................................... 15

6 Расчет напряжений на пассивных элементах цепи................................ 16

7 Проверка выполнения баланса мощностей........................................ 17

8 Построение графика изменения комплексного потенциала................. 18

10 Список использованной литературы..................................................... 19

11 Приложение 1......................................................................................... 20

12 Приложение 2......................................................................................... 21

13 Приложение 3......................................................................................... 22

1 ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ:

МКТ - метод контурных токов.

МУП - метод узловых потенциалов.

КДЗ - комплексное действующее значение.

2 Задание на курсовую работу.

Целью данной работы является анализ электрической цепи гармонического тока.

1 Для заданного графа ЭЦ (рисунок 1) изобразить электрическую схему цепи для мгновенных значений;

2 Изобразить комплексную схему замещения;

3 На основании законов Кирхгофа составить систему уравнений для расчета комплексных действующих значений токов во всех ветвях цепи;

4 Определить комплексные действующие значения токов ветвей по МКТ и МУП.

Результаты расчетов свести в таблицу.

5 Проверить выполнение условия баланса мощностей в цепи;

6 В масштабе построить график изменения комплексного потенциала вдоль внешнего контура схемы.

Рисунок 1. Расширенный граф цепи.

1	1"	1""	2	2"	2""	3	3"	3""
R1	L1	C1	R2	--	C2	R3	L3	C3
4	4"	4""	5	5"	5""	6	6"	6""
-e4	R4	L4	J5	R5	C5	--	L6	C6

Таблица 1. Элементы ветвей.

Рисунок 2. Электрическая цепь.

Элементы изображённые на схеме рассчитываются исходя из номера варианта и номера группы. В моём случае n=18, m =1 (т.к. Вариант - 18, а группа - 9011).

Мгновенные значения источников рассчитываются следующим образом:

3 Комплексная схема замещения.

Необходимым этапом расчета сложных электрических цепей переменного тока является изображение комплексной схемы замещения. На этой схеме реактивные элементы замещаются комплексными сопротивлениями, источники напряжения (или тока) имеют мгновенные значения.

Рисунок 3. Комплексная схема замещения.

4 Расчет токов по законам Кирхгофа.

Зададим произвольные направления токов в ветвях цепи:

Рисунок 4. Положительные направления токов.

Для расчетов по законам Кирхгофа требуется знать действующие значения источников. Комплексное действующее значение можно рассчитать по формуле /1/:

Рассчитаем их:

Получили систему уравнений:

Для расчета системы уравнений воспользуемся программой - MathCAD 2000 Professional. Распечатка решения приведена в Приложении 1.

Решение системы уравнений:

5 Расчет токов Методом Контурных Токов и Методом Узловых потенциалов.

5.1 Расчет токов Методом Контурных Токов.

Суть данного метода заключается в том, что вместо реально действующих токов в ветвях цепи, находят контурные токи. В основе этого метода лежит второй закон Кирхгофа. Однако в отличие от расчета токов по первому и второму Кирхгофа данный метод позволяет сократить количество уравнений.

Прежде всего, зададим произвольные направления контурных токов:

Рисунок 5. Положительные направления контурных токов.

Составим систему уравнений по второму закону Кирхгофа, учитывая действующие значения ЭДС:

Для расчета системы уравнений воспользуемся программой - MathCAD 2000 Professional. Распечатка решения приведена в Приложении 2.

Задав направления токов, как и в решении по законам Кирхгофа (см. рисунок 4), получили следующие значения токов:

5.2 Метод Узловых Потенциалов.