Как называют электрические цепи содержащие источники энергии

Как называют электрические цепи содержащие источники энергии

1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Элементы электрической цепи, осуществляющие преобразование различных видов энергии в электромагнитную, расходуемую и запасаемую в других элементах, называются источниками (генераторами) или активными элементами цепи. Элементы, осуществляющие необратимое потребление электромагнитной энергии или ее накопление, являются пассивными элементами. Простейшие элементы цепи, связанные с остальными двумя выводами, называются двухполюсниками .

Пассивные элементы. Необратимое потребление энергии осуществляется в резистивном элементе R (Табл. 1.1, строка 1). При согласованных направлениях отсчета тока и напряжения, указанных на рисунке, связь между ними выражается законом Ома : u R = Ri , где R — сопротивление элемента — параметр, определяющий интенсивность потребления энергии. Часто используется и обратное соотношение i R = Gu , где G = 1/ R — проводимость элемента. Потребляемая резистором мощность и энергия положительны:

Накопление энергии в магнитном поле осуществляется в индуктивном элементе L (Табл. 1.1, строка 2), в котором при протекании тока i , изменяющемся во времени, изменяется потокосцепление и наводится ЭДС (). Параметр L — индуктивность —определяет интенсивность накопления энергии. Для преодоления ЭДС e к зажимам элемента от внешних источников должно быть приложено напряжение.Индуктивный элемент потребляет энергию при положительных значениях , когда энергия магнитного поля возрастает, и отдает ее при .

Процесс накопления энергии в электрическом поле осуществляется в емкостном элементе C (Табл. 1.1, строка 3), ток которого i = dq/dt определяется скоростью изменения заряда на обкладках элемента, связанного с напряжением между обкладками выражением q = Cu C , где C — емкость элемента, определяющая интенсивность накопления энергии. Элемент потребляет энергию при и отдает ее при .

Зависимости u ( i ) резистора, Y ( i ) индуктивной катушки, q ( u ) конденсатора — характеристики элементов — в общем случае нелинейны. Обладающие такими характеристиками элементы называются нелинейными . При линейности соответствующей характеристики параметры R , L или C постоянны, и элементы называются линейными . Связи между напряжением и током линейного индуктивного и емкостного элементов указаны в Табл. 1.1. Цепь, составленная целиком из линейных элементов, называется линейной . Описывающие ее дифференциальные или алгебраические уравнения являются линейными. Энергия, накапливаемая в линейных элементах L и C , дана выражениями, приведенными в Табл. 1.1.

элемент

схема

напряжение

энергия

какие участки электрической цепи называются линейными?

Все элементы электрической цепи условно можно разделить на активные и пассивные. Активным называется элемент, содержащий в своей структуре источник электрической энергии. К пассивным относятся элементы, в которых рассеивается (резисторы) или накапливается (катушка индуктивности и конденсаторы) энергия. К основным характеристикам элементов цепи относятся их вольт-амперные, вебер-амперные и кулон-вольтные характеристики, описываемые дифференциальными или (и) алгебраическими уравнениями. Если элементы описываются линейными дифференциальными или алгебраическими уравнениями, то они называются линейными, в противном случае они относятся к классу нелинейных. Строго говоря, все элементы являются нелинейными. Возможность рассмотрения их как линейных, что существенно упрощает математическое описание и анализ процессов, определяется границами изменения характеризующих их переменных и их частот. Коэффициенты, связывающие переменные, их производные и интегралы в этих уравнениях, называются параметрами элемента

Элементы электрических цепей, которые характеризуются постоянными значениями сопротивления г и проводимости g, не зависимыми от тока в них или напряжения на их зажимах, называются линейными, так как имеют прямолинейную вольтамперную характеристику (см. рис) .
Электрическая цепь, составленная из линейных элементов, называется линейной.
Связь между э. д. с, напряжениями и токами линейных электрических цепей выражается линейными уравнениями, т. е. уравнениями первой степени, поэтому для расчета их применяются
аналитические методы с обычными алгебраическими преобразованиями.

Источник: http://elib.ispu.ru/library/lessons/Golubev/lecture01.htm — вот тут подробнее
Остальные ответы
те, на которых линейная зависимость тока от напряжения

Под нелинейными электрическими цепями понимают электрические цепи, содержащие элементы с нелинейными вольт-амперными, вебер-амперными или кулон-вольтными характеристиками. Если цепь содержит хотя бы один такой элемент и изображающаяся точка в процессе работы перемещается по существенно нелинейному участку характеристики этого элемента, то она принадлежит к рассматриваемому классу цепей.

Если же в цепи нет ни одного элемента с нелинейной характеристикой, то такая цепь — линейная.

Электрическая цепь и ее элементы

§ 1.1. Классификация электрических цепей и их элементов

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической и других видов энергии и (или) информации. Свое назначение цепь выполняет при наличии в ней электрического тока. Электромагнитные процессы в цепи и ее параметры могут быть описаны с помощью известных из курса физики интегральных понятий: ток, напряжение (разность потенциалов), заряд, магнитный поток, электродвижущая сила, сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.

В отличие от электрической цепи электромагнитные процессы в ряде электротехнических устройств характеризуются дифференциальными понятиями: вектор напряженности электрического поля и вектор электрического смещения, вектор напряженности магнитного поля и вектор магнитной индукции, плотность заряда и вектор плотности тока, удельная электрическая проводимость и др. Анализ устройств, процессы в которых описываются с помощью дифференциальных понятий, рассматривают в теории электромагнитного поля.

Следует отметить, что именно в теории поля дается определение интегральных понятий (таких, как ток и напряжение), характеризующих электрическую цепь. Расчет параметров цепи (сопротивлений, индуктивностей, емкостей) в общем случае также возможен только с помощью понятий, используемых в теории поля.

В некоторых случаях одно и то же устройство можно анализировать и методами теории цепей, и методами теории поля. Например, линия передачи электрической энергии может рассматриваться как цепь с распределенными параметрами или как направляющая система для электромагнитного поля. Выбор того или иного метода зависит от конкретных целей анализа, необходимой точности и других факторов.

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

Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов).

Источники энергии (сигналов), такие, как электромеханические или электронные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, термодатчики и т. д., предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую энергию.

Приемники энергии (сигналов) служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии. К ним относятся электрические двигатели, нагревательные приборы, электрические лампы, электронно-лучевые трубки, динамические громкоговорители и др.

Кроме основных элементов, цепь содержит различные вспомогательные элементы, которые связывают источники с приемниками (соединительные провода, линии передачи), подавляют или усиливают определенные составляющие сигналов (фильтры, усилители), изменяют уровень напряжения и тока в других частях цепи (трансформаторы), улучшают или изменяют характеристики и параметры участков цепи и ее элементов (корректирующие устройства, фазовые звенья) и т. п.

По назначению различают цепи для передачи и преобразования электрической энергии (цепи, применяемые в электроэнергетике) и цепи для передачи и преобразования информации (цепи в технике связи, радиотехнические цепи, цепи устройств автоматики и телемеханики и т. д.).

Цепи можно классифицировать по типу элементов, из которых они состоят, например, резистивные цепи — цепи, состоящие из резисторов и источников энергии, электронные цепи — цепи, содержащие электронные лампы и транзисторы, и т. д.

У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов, выводов), с помощью которых он соединяется с другими элементами.’

Различают двухполюсные и многополюсные (трехполюсные, четырехполюсные и т. д.) элементы цепи. Двухполюсные элементы имеют два зажима; к ним относятся источники энергии (за исключением многофазных и управляемых источников), резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки.

Наиболее распространенные трехполюсные элементы — это электронные лампы (вакуумные триоды) и транзисторы (полупроводниковые триоды). ₄

Примерами четырехполюсных элементов могут служить трансформаторы (двухобмоточные), индуктивные катушки с подмагничиванием (дроссели с подмагничиванием), интегральные операционные усилители.

Элементы цепи, имеющие более четырех зажимов, также находят применение (например, многообмоточные трансформаторы, различные микромодули — твердотельные компоненты электронных схем, многоэлектродные электронные лампы). Различают активные и пассивные элементы цепи. К активным элементам относятся источники энергии. Часто активными элементами называют также электронные лампы, транзисторы, операционные усилители, которые способны усиливать электрические сигналы. К пассивным относят элементы, в которых рассеивается и (или) накапливается энергия (резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы, трансформаторы).

Реальные элементы цепи могут быть описаны алгебраическими или дифференциальными уравнениями, связывающими напряжения и токи на зажимах этих элементов. Такое описание может быть сделано с определенной степенью точности при идеализации физических процессов в элементах; второстепенные с определенной точки зрения процессы при этом не учитываются.

Если элемент цепи характеризуется линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями (при упомянутой ранее идеализации), то его называют линейным. Коэффициенты, связывающие напряжения и токи и их производные, представляют собой параметры элемента. Параметры линейного элемента могут быть постоянными (стационарный элемент) или могут изменяться в зависимости от времени по какому-либо закону (нестационарный, параметрический элемент).

Если элемент цепи описывается нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями, то он называется нелинейным. Нелинейные элементы могут быть также параметрическими.

Во многих случаях параметры элемента рассматриваются как сосредоточенные (элемент с сосредоточенными параметрами); при этом напряжения и токи на зажимах элемента не являются функциями пространственных координат, определяющих геометрические размеры элемента. Параметры элемента могут быть также распределенными (элемент с распределенными параметрами); такой элемент характеризуется уравнениями, в которых напряжения и токи зависят от пространственных координат. В качестве примеров элементов с распределенными параметрами можно назвать линии передачи энергии и информации, многослойные пленочные резистивно-емкостные микроструктуры.

Элементы электрической цепи могут удовлетворять или не удовлетворять принципу взаимности. Упрощенно принцип взаимности состоит в следующем: реакция цепи на участке 1 от возмущения на участке 2 равна реакции на участке 2 от такого же возмущения на участке 1. Математическая формулировка этого принципа и его иллюстрации даны ниже. В соответствии с этим различают взаимные и невзаимные элементы. Примеры взаимных элементов — резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы, трансформаторы; к невзаимным элементам относятся электронные лампы, транзисторы и др.

Цепи, содержащие только линейные элементы, называют линейными цепями. Основное свойство таких цепей — применимость принципа наложения, заключающегося в том, что результирующая реакция линейной цепи на несколько приложенных одновременно возмущений равна сумме реакций, обусловленных каждым возмущением в отдельности.

Если цепь содержит один или несколько параметрических элементов, то ее называют параметрической (нестационарной).

Аналогично, если цепь содержит один или более нелинейных элементов, то ее называют нелинейной. Для нелинейной цепи в общем случае неприменим принцип наложения.

Цепь, содержащую элементы с сосредоточенными параметрами, называют цепью с сосредоточенны ми параметрами. Цепь, содержащую элементы с распределенными параметрами, называют цепью с распределенными параметрами.

Строго говоря, любая электрическая цепь представляет собой цепь с распределенными параметрами, зависящими от режима цепи, т.е, является нелинейной. Однако во многих случаях из-за большой скорости электромагнитных процессов изменения напряжений и токов, происшедшие на одном участке цепи, одновременно вызывают определенные изменения и на всех остальных участках цепи; зависимость параметров цепи от ее режима часто несущественна. Таким образом, во многих случаях реальные электрические цепи можно рассматривать как линейные цепи с сосредоточенными параметрами.

Цепи, содержащие только взаимные элементы, называют взаимными (цепи, состоящие из резисторов, конденсаторов, индуктивных катушек, трансформаторов и источников энергии). Если в цепи имеются невзаимные элементы, то цепь называют невзаимной (цепи с электронными лампами, транзисторами, операционными усилителями).

Можно говорить также об активных и пассивных цепях. Цепь считают активной, если по отношению к некоторым зажимам она является источником энергии. Такая цепь содержит активные элементы. В противном случае цепь называют пассивной.

Элементы электрических цепей и схем

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования электрической (электромагнитной) и других видов энергии и информации, если процессы, протекающие в устройствах, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (ЭДС), токе и напряжении.

Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии (и информации), которые соединяются между собой проводами.
В источниках электрической энергии (гальванические элементы, аккумуляторы, электромашинные генераторы и т. п.) химическая, механическая, тепловая энергия или энергия других видов превращается в электрическую, а в приемниках электрической энергии (электротермические устройства, электрические лампы, резисторы, электрические двигатели и т. п.), наоборот, электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую и др.
Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, ее передача и преобразование в приемниках происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, называют цепями постоянного тока . При постоянных токах и напряжениях магнитные и электрические поля электрических установок также не изменяются во времени. Вследствие этого в цепях постоянного тока не возникают ЭДС индукции и отсутствуют токи смещения в диэлектриках, окружающих проводники.
Вместо термина «приемник электрической энергии» в дальнейшем будем применять более краткие и равнозначные термины — «приемник» или «потребитель», а вместо термина «источник электрической энергии» — «источник энергии», «источник питания» или «источник».

На рис. 1.1 условно изображена простейшая электрическая установка с источником энергии — аккумуляторной батареей и с приемником — группой электрических ламп. Выводы (зажимы) источника и приемника энергии соединены между собой двумя проводами. Источник энергии, провода и приемник образуют замкнутый проводящий контур. В этом контуре под действием ЭДС источника энергии происходит непрерывное и односторонне направленное упорядоченное движение электрических зарядов. Совокупность этих трех элементов — источника энергии, двух проводов и приемника — представляет собой простейшую электрическую цепь постоянного тока. Практически чаще встречаются более сложные электрические цепи с несколькими источниками и большим числом приемников энергии, с измерительными приборами и вспомогательными элементами (переключателя-ми, предохранителями и т. п.).
Чтобы облегчить изучение процессов в электрической цепи, ее заменяют расчетной схемой замещения , т. е. идеализированной цепью, которая служит расчетной моделью реальной цепи. При решении задач расчета режима работы цепи и других задач анализа и синтеза каждый реальный элемент цепи заменяется элементами схемы, математическое описание каждого из которых (математическая модель) должно отражать главные (доминирующие) процессы в элементе цепи, или, точнее, все, которые необходимо учесть при анализе или синтезе.

Для цепи постоянного тока пользуются понятиями двух основных элементов схемы: источника энергии с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r_вт (рис. 1.2, а) и резистивного элемента — приемника (нагрузки) с сопротивлением r (рис. 1.2, б). Таким образом, применяя в дальнейшем термин «схема замещения», или, короче, «схема», будем подразумевать и соответствующую цепь. В дальнейшем, если нет специальных указаний, сопротивление соединяющих проводов не будет учитываться, так как оно должно быть много меньше сопротивления приемников.
Электродвижущая сила Е (рис. 1.2, а) численно равна разности потенциалов φ или напряжению U между положительным и отрицательным выводами 1 и 2 источника энергии при отсутствии в нем тока, т. е. как говорят, в режиме холостого хода, независимо от физической природы ее возникновения (контактная ЭДС, термо-ЭДС и т. д.):

Электродвижущую силу Е можно определить как работу сторонних (не электрических) сил, присущих источнику, затрачиваемую на перемещение единицы положительного заряда внутри источника от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом. Направление действия ЭДС (от отрицательного вывода к положительному) указывается на схеме стрелкой.
Если к выводам источника энергии присоединить приемник (нагрузить), то в замкнутом контуре этой простейшей цепи возникает ток I (рис. 1.3), при этом напряжение или разность потенциалов на выводах 1 и 2 уже не будут равны ЭДС вследствие падения напряжения U _вт внутри источника энергии, т. е. на его внутреннем сопротивлении r_вт :

На рис. 1.4 представлена одна из наиболее типичных, так называемых внешних характеристик U ₁₂ (I) = U( I ) , т.е. зависимость напряжения на выводах нагруженного источника энергии от тока. Как показано на рисунке, при увеличении тока от нуля до напряжение на выводах источника энергии убывает практически по линейному закону:

Иначе говоря, при Е = const падение напряжения внутри источника энергии U _вт в указанных пределах растет пропорционально току. При дальнейшем росте тока нарушается пропорциональность между его значением и падением напряжения внутри источника энергии — внешняя характеристика не остается линейной. Такое уменьшение напряжения вызвано у одних источников энергии уменьшением ЭДС, у других увеличением внутреннего сопротивления, а у третьих одновременным уменьшением ЭДС и увеличением внутреннего сопротивления.
Развиваемая источником энергии мощность определяется равенством

Здесь следует указать на установившееся в электротехнике неточное применение термина «мощность». Так, например, говорят о генерируемой, отдаваемой, передаваемой, потребляемой мощности. В действительности генерируется, отдается, получается не мощность, а энергия. Мощность характеризует интенсивность энергетического процесса и измеряется количеством генерируемой, отдаваемой, передаваемой и других видов энергии в единицу времени. Поэтому правильно было бы говорить о мощности генерирования энергии, о мощности передачи энергии и т. д. Следуя традициям электротехники, будем применять приведенные выше краткие выражения.
Сопротивление приемника r (см. рис. 1.2,6) характеризует потребление электрической энергии, т. е. превращение электрической энергии в другие виды, при мощности

В общем случае сопротивление приемника зависит от тока в этом приемнике r ( I ).
По закону Ома напряжение на сопротивлении приемника, которое называется еще сопротивлением нагрузки ?

U = r I . (1.4)

Отметим, что к открытию этого закона довольно близко подошел еще в 1801 -1802 гг. акад. В. В. Петров. Позднее, в 1826 г., этот закон был сформулирован Омом.
Наряду с сопротивлением для расчета цепей вводят понятие проводимости

g = 1/ r .

Единица измерения тока (силы тока) называется ампер (1 А), ЭДС и напряжения — вольт (1 В), сопротивления — ом (1 Ом), причем 1 Ом = 1 В/1 А, проводимости — сименс (1 См = 1 / Ом), мощности — ватт (1 Вт = 1 В 1 А). При измерении всех величин можно применять кратные и дольные единицы, например килоампер (1 кА = 1000А), милливольт (1 мВ = 0,001 В), мегаом (1 МОм = 1000000 Ом), микроватт и т. д.
На практике часто бывает задана не зависимость сопротивления от тока r ( I ) приемника или резистивного элемента, представляющего приемник на схеме, а зависимость напряжения на резистивном элементе от тока U _ab (I) = U(I) или обратная зависимость тока от напряжения I (U). Характеристики U (I) и I ( U) получили распространенное, хотя и не совсем точное название вольт-амперных (ВАХ).
На рис. 1.5 представлены ВАХ лампы с металлической нитью U ₁ ( I ) и лампы с угольной нитью U ₂ (I) . Как показано на рисунке, связь между напряжением и током каждой лампы — нелинейная. Сопротивление лампы с металлической нитью растет с увеличением тока, а сопротивление лампы с угольной нитью с увеличением тока падает.
Электрические цепи, содержащие элементы с нелинейными характеристиками, называются нелинейными .
Если принять ЭДС источников энергии, их внутренние сопротивления и сопротивления приемников не зависящими от токов и напряжений, то внешние характеристики источников энергии U ₁₂ ( I ) = U ( I ) и ВАХ приемников U _ab (I) = U(I) будут линейными (рис. 1.6).
Электрические цепи, состоящие только из элементов с линейными характеристиками, называют линейными.
Режим работы большого числа реальных электрических цепей дает возможность отнести их к линейным. Поэтому изучение свойств и методов расчета линейных электрических цепей представляет не только теоретический, но и значительный практический интерес.