Активные и пассивные элементы электрической цепи
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
Активная и пассивная электрическая цепь
Потребители электрической энергии могут соединяться параллельно, последовательно или смешанным способом. При этом для каждого типа соединения действуют определенные законы, которые были сформулированы в свое время учеными Омом и Кирхгофом.
Электрическая схема является графическим изображением электрической цепи в виде символов. Схема является идеализированной цепью и выполняет роль расчетной модели, ее часто называют эквивалентной схемой замещения. В идеальном варианте она должна отображать реальную цепь.
Основные определения
Определение 1
Электрическая цепь — это комплекс элементов, соединенных проводами и образующих путь протекания электрического тока, с целью передачи, распределения и трансформирования электроэнергии.
Для характеристики процессов в электрических цепях используют понятия электродвижущей силы, тока и напряжения.
Электрические цепи, в которых с течением времени ток и напряжение остаются постоянными, называют цепями с постоянным током.
Главными элементами электрической цепи есть источники и приемники электроэнергии, соединенные проводниками.
В любой электрической цепи есть разные устройства, выполняющие определенные функции. Условно их классифицируют на:
- источники электроэнергии;
- приемники или потребители, трансформирующие электроэнергию в иные виды энергии;
- провода, предназначенные для передачи электроэнергии.
Не нашли то, что искали?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Тип работы
Узнать стоимость
это быстро и бесплатно
Различают три типа соединения компонентов электрических цепей;
- последовательное;
- параллельное;
- смешанное.
Устройства электрических цепей также делят на активные и пассивные. Рассмотрим их подробнее.
Активные элементы электроцепей
К активным элементам относятся источники электроэнергии.
Замечание 2
Источники питания могут быть линейными и нелинейными. Линейные источники обладают линейной внешней характеристикой. Если на клеммах источника питания напряжение постоянно во времени и не зависит от силы тока нагрузки, то такой источник является источником электродвижущей силы.
Базовой характеристикой активных элементов есть их способность вырабатывать и отдавать электрическую энергию. Источники питания являются идеальными, когда в них практически отсутствует потеря электроэнергии, так как их сопротивление и проводимость являются бесконечными величинами.
Определение 2
Если потери внутри источника не компенсируются, он имеет наклонную внешнюю характеристику и называется реальным источником питания.
Пассивные элементы электроцепей
К пассивным элементам относятся потребители и накопители электроэнергии. Выделяют многополюсную аппаратуру, функционирующую на основе двухполюсников. Активные элементы цепи могут существовать как в зависимом, так и в независимом положении.
Источники питания являются независимыми. Источники тока считаются совершенными элементами с независимым от напряжения на клеммах током и сопротивлением, стремящимся к бесконечности.
Сложно разобраться самому?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Тип задания
Узнать стоимость
это быстро и бесплатно
Зависимыми элементами являются такие элементы, в которых ток зависит от напряжения, и наоборот. Например, электрические лампы, транзисторы с линейными характеристиками.
К основным пассивным устройствам электрических цепей относят резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. С помощью этих устройств происходит контроль основных параметров на отдельных участках цепи.
Резисторы считаются идеализированными элементами. Их основным свойством является способность необратимого рассеивания электрической энергии. Зависимость основных параметров резистора выражает закон Ома:
где \(R\) – сопротивление резистора, Ом,
\(G\) – проводимость резистора, См.
Индуктивность катушки является коэффициентом пропорциональности, а емкостные элементы накапливают электрическую энергию.
Линейная емкость определяется по следующей формуле:
Э Л Е К Т Р О Т Е Х Н И К А
Электрическая цепь — совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Цепь образуется источниками энергии (генераторами), потребителями энергии (нагрузками), системами передачи энергии (проводами).
Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятии об электродвижущей силе, токе и напряжении.
Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя. Т.е. электрическая цепь — совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, приемников и соединяющих их проводов (линия передачи).
Рис.1. Схема электрической цепи
Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Во внешнюю часть цепи входят соединительные провода, потребители, рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.
Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.
Под электрическими цепями постоянного тока в электротехнике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т. е. полярность источников ЭДС в которых постоянна.
Под электрическими цепями переменного тока имеют ввиду цепи, в которых протекает ток, который изменяется во времени (смотрите, переменный ток).
Источники питания цепи — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. В современной технике в качестве источников энергии применяют главным образом электрические генераторы. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.
Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.
В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).
Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные — напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах необходимо поддерживать номинальное напряжение.
Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.
По топологическим особенностям электрические цепи подразделяют:
на простые (одноконтурные), двухузловые и сложные (многоконтурные, многоузловые, планарные (плоскостные) и объемные);
двухполюсные, имеющие два внешних вывода (двухполюсники и многополюсные, содержащие более двух внешних выводов (четырехполюсники, многополюсники).
Источники и приемники (потребители) энергии с точки зрения теории цепей являются двухполюсниками, так как для их работы необходимо и достаточно двух полюсов, через которые они передают либо принимают энергию. Тот или иной двухполюсник называют активным, если он содержит источник, или пассивным — если он не содержит источник (соответственно, левая и правая части схемы).
Устройства, передающие энергию от источников к приемникам, являются четырехполюсниками, так как они должны обладать, по меньшей мере, четырьмя зажимами для передачи энергии от генератора к нагрузке. Простейшим устройством передачи энергии являются провода.
Активный и пассивный двухполюсники в электрической цепи
Обобщенная эквивалентная схема электрической цепи
Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением и называемые резисторами, характеризуются так называемой вольт-амперной характеристикой — зависимостью напряжения на зажимах элемента от тока в нем или зависимостью тока в элементе от напряжения на его зажимах.
Если сопротивление элемента постоянно при любом значении тока в нем и любом значении приложенного к нему напряжения, то вольт-амперная характеристика прямая линия и такой элемент называется линейным элементом .
В общем случае сопротивление зависит как от тока, так и от напряжения . Одна из причин этого состоит в изменении сопротивления проводника при протекании по нему тока из-за его нагрева. При повышении температуры сопротивление проводника увеличивается. Но так как во многих случаях эта зависимость незначительна, элемент считают линейным.
Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков которой не зависит от значений и направлений токов и напряжений в цепи, называется линейной электрической цепью . Такая цепь состоит только из линейных элементов, а ее состояние описывается линейными алгебраическими уравнениями.
Если сопротивление элемента цепи существенно зависит от тока или напряжения, то вольт-амперная характеристика носит нелинейный характер, а такой элемент называется нелинейным элементом .
Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент.
При описании свойств электрических цепей устанавливается связь между величинами электродвижущей силы (ЭДС), напряжений и токов в цепи с величинами сопротивлений, индуктивностей, емкостей и способом построения цепи.
При анализе электрических схем пользуются следующими топологическими параметрами схем:
- ветвь — участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же электрический ток;
- узел — место соединения ветвей электрической цепи. Обычно место, где соединены две ветви, называют не узлом, а соединением (или устранимым узлом), а узел соединяет не менее трех ветвей;
- контур — последовательность ветвей электрической цепи, образующая замкнутый путь, в которой один из узлов одновременно является началом и концом пути, а остальные встречаются только один раз.
Электрическая схема: активная и пассивная
Элементы электрические цепи могут быть подключены в схемах различными способами. Для каждого из них существуют некоторые закономерности, установленные такими учеными, как Ом и Кирхгоф.
Графическое представление реальной электрической цепи, обычными символами считают электрической цепью. Это, в свою очередь, считается идеализированной цепью, служащей вычислительной моделью реальной цепочки и иногда называемой эквивалентной схемой замещения. Если это возможно, то оно должна отражать фактические процессы, выполняемые в реальности.
Что такое электрическая цепь?
Электрическая схема рассматривается как комплекс электрических устройств, образуя путь прохождения электрического тока и ориентированный на передачу, распределение и взаимное преобразование электрических и других видов энергии.
Электромагнитные процессы, происходящие в электрический приборы могут описывать такие вещи, как электродвижущая сила, напряжение и ток.
Электрические схемы называются цепями постоянного тока, когда они получают электрическую энергию, а также ее передачу и преобразование при условии, что ток и напряжение постоянны во времени.
- di / dt = 0
- du / dt = 0
Основными элементами электрической цепи будут источники и приемники электричества, которые соединяют провода.
каждый схема включает в себя множество устройств и объектов, ответственных за формирование путей прохождения электрического тока. Как правило, все элементы электрическая цепь делятся на три части:
- источники энергии, генерирующие электроэнергию;
- элементы, которые преобразуют электроэнергию в другие виды энергии (приемники);
- передающие устройства (провода и другие установки, отвечающие за качество и уровень напряжения).
В электрических цепей, подключение потребителей может быть объединено, серийно, параллельно.
Каковы активные элементы электрической цепи?
Элементы в составе электрических цепей существуют в формате активности и пассивности. Источники электроэнергии считаются активными.
Источники, как и все остальные элементы электрической цепи, можно охарактеризовать как линейные и нелинейные. Линейная характеристика линейной внешней характеристики. При условии постоянного напряжения на выходе источника и его независимости от тока в нагрузке такой источник называется источником ЭДС.
Основным признаком активных компонентов является их способность выделять электрическую энергию. Источники тока и ЭДС называются идеальными для электрической энергии, что связано с отсутствием в них потерь энергии, поскольку их проводимость и сопротивление считаются бесконечными:
В ситуации, когда потеря электроэнергии внутри источника не компенсируется, она имеет наклонную внешнюю характеристику. такие источники будем быть называется реальный .
Что такое пассивные элементы электрической цепи?
Пассивные элементы, рассматривают типы потребителей и устройства хранения энергии. Существует многополюсное устройство, функционирование которого основано на основе биполярных элементов. Все активные схема элементы может существовать как в независимом, так и в зависимом форматах.
Первая категория включает источники тока и напряжения (идеализированный элемент в цепи с нулевым внутренним сопротивлением). Источник тока также является идеальным элементом с токовой независимостью от напряжения на клеммах, со значением внутреннего сопротивления до бесконечности.
Источники зависимого напряжения и тока считаются такими, что указанные значения зависят от параметров напряжения и тока в другой части схемы. Типичными представителями являются лампочки и транзисторы, работа которых осуществляется в линейном режиме.
Основные пассивные элементы электрическая цепь резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы, с которыми параметры тока и напряжения контролируются в отдельных секциях.
Сопротивление называют идеализированными элементами в цепи. Его основным свойством считается необратимая диссипация энергии. Зависимость напряжения и тока от удельного сопротивления выражается формулой:
В этом случае R представляет собой сопротивление (измеренное в омах), а G действует как проводимость (единица измерения — сименсы). Эти значения будут быть относиться к формуле:
Индуктивность также считается коэффициентом пропорциональности. Емкостные ячейки (т. е. Конденсаторы) обладают свойством накапливать энергию электрического поля. Индекс линейной емкости представляет собой линейную зависимость между зарядом и напряжением, выражаемую формулой: