Основы электротехники 2 - Электрическая цепь

Этим постом мы продолжаем серию публикаций, посвященных основам электротехники. В нём мы поговорим о понятии электрической цепи. Сначала, что это такое. Электрические цепи бывают разными, не очень понятно в какой же момент совокупность отдельных предметов становится электрической цепью. Строгое определение электрической цепи довольно парадоксальное, – это всё то, что можно описать через токи, напряжение и сопротивление, то есть опять приходим к закону Ома. 

Для удобства все элементы цепи разделяют на:

• источники,
• потребителей,
• проводники,
• ключи.

Источники – это значит в них какая-то энергия преобразуется в электрическую.

Потребители – в них наоборот электрическая энергия преобразуется во что-то ещё (опять же не важно, во что).

Проводники – передают энергию от первых ко вторым. 

Ключи – управляют этим процессом, открывая или закрывая путь потоку энергии.

На схемах проводники обозначают просто линиями, всё остальное имеет своё обозначение. Вот здесь кроется первая проблема перехода от реальности к схеме. Даже вот эту простейшую установку можно представить несколькими схемами. Например, учесть только основные эффекты и получить простую, но не до конца точную схему или учесть сопротивление проводов и источника, у которых оно тоже есть. Повысить тогда при этом точность на пару процентов, но зато запутать схему.

Выбор здесь только за проектировщиком, но какая-то степень детализации останется всегда. Например, чтобы все наши дальнейшие рассуждения не скатывались в бесконечные отговорки, мы примем, что параметры всех элементов схемы, во-первых, неизменны, во-вторых, сосредоточены. То есть все элементы мы считаем бесконечно маленькими. На практике эти допущения, как правило, даже незаметны, они вносят слишком малую погрешность, зато позволяют гораздо проще работать со схемами. Например, легко посчитать какая мощность выделится у нас на потребителя. 

Как мы говорили раньше, напряжение – это работа по переносу заряда, и равна эта работа произведению заряда на напряжение. Вспомним также ток – заряд в единицу времени. Несложные преобразования, и мы выразили работу через ток, напряжение и время. Мощность – это работа в единицу времени, значит мощность – это произведение тока на напряжение.

То, что у нас получилось, называется закон Джоуля-Ленца. Вместе с законом Ома он позволяет узнать о цепи постоянного тока практически всё. Главное, правильно подставить известные величины. При всей своей простоте это один из самых применяемых законов в электротехнике. 

Вот на самом деле простой пример. Вы сели позавтракать, поставили греться чайник, завтракаете толстом. С утра у свежо, вы включили обогреватель. Вопрос – выбьет у вас в квартире автомат или нет. Вспоминаем законы Ома и Джоуля-Ленца.

Путем нехитрых вычислений находим, что ток составит примерно 24 Ампера. Идём теперь к выходному щётку и видим максимальный ток автомата на 16 Ампер. А если у вас старый щиток и стоят в пробки, то и вообще 6 с небольшим. Увы, завтрак не удался. 

До сих пор мы говорили о потребителях, но тоже самое справедливо и для источников, с той лишь разницей, что у источника есть электродвижущая сила (ЭДС). Вспомним, как заряд движется по цепи. Он выходит из одного полюса источника и уходит в другой. Но, чтобы он там двигался, как мы помним из предыдущей публикации, нужна разность потенциалов. Вот эту самую разность и создает электродвижущая сила.

На схеме ЭДС обозначается стрелкой, она как бы подгоняет электроны в нужном направлении. Источники бывают разные, но с точки зрения электрической цепи их функция одна и та же – создать разность потенциалов, которая в свою очередь заставит электроны двигаться по цепи. Также насос поднимает воду, создавая разность давлений (вспоминаем гидродинамическую аналогию).  Измеряется ЭДС в Вольтах, поскольку характеризует способность источника приводить в движение заряд.

Однако, любой реальный источник состоит из вещества, а вещество имеет некоторое электрическое сопротивление. Поэтому, как только через источник потечет ток, то есть, когда мы подключим его к внешней цепи, то увидим, что у него есть некоторое своё сопротивление. Оно называется внутренним сопротивлением источника.

Из-за этого при протекании тока напряжение, измеренное на зажимах источника всегда будет меньше, чем ЭДС, согласно закону Ома, как раз на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Чем больше ток, тем больше будет эта разница.

Теперь легко ввести две очень важных с практической точки зрения характеристики источника.

• напряжение холостого хода,
• ток короткого замыкания.

Напряжение холостого хода  – это, по сути, есть ЭДС, то есть разность потенциалов, создаваемая источником.

Ток короткого замыкания – ток через внутреннее сопротивление при отсутствии внешнего.

Здесь можно заметить, что режим источника определяется величиной внешнего сопротивления. Если оно, это сопротивление, равно нулю, тогда получаем короткое замыкание. Если бесконечно, то холостой ход.

Интересно посмотреть, что происходит вблизи этих значений, то есть при очень маленьких, но ненулевых нагрузках и наоборот больших, но не бесконечных. Начнем с больших сопротивлений, то есть много больших внутреннего сопротивления источника. Напряжения на нагрузке выразим через ток, а ток через ЭДС и внутреннее сопротивление. Подставим одно в другое и получим выражение для напряжения на зажимах источника. Но, если внутреннее сопротивление у нас маленькое, то мы  можем им просто пренебречь и вообще не учитывать. Тогда получится, что напряжение на выходе источника не зависит от нагрузки и равно напряжению холостого хода. Такие источники называют источниками напряжения.

Если же сопротивление нагрузки у нас наоборот много меньше внутреннего, то стоит обратить внимание на выражение для тока. Пренебрежем очень маленьким по сравнению с очень большим и увидим, что в этом случае ток через источник от нагрузки не зависит и равен току короткого замыкания. Такие источники называют источниками тока.

Реальные источники находятся где-то в промежуточном положении между этими двумя крайностями в зависимости от нагрузки на них.

На этом мы завершаем рассказ об элементах цепи постоянного тока. В следующей публикации мы уже начнем решать практические задачи. Научимся рассчитывать режимы работы цепей разными способами.

Ссылка на предыдущий пост данной серии:

Основы электротехники, введение