Какие преобразования происходят в электрической цепи

Физические процессы в электрической цепи

Электрической цепью называется совокупность технических устройств, образую­щих пути для замыкания электрических токов и предназначенных для производства, пе­редачи, распределения и потребления электрической энергии. Любая электрическая цепь предпола­гает наличие в своей структуре как мини­мум трех элементов, а именно: источни­ков энергии, приемников энергии и со­единяющих их проводов или линий электропере­дачи. Как известно, носителем энергии является электромагнитное поле, которое сосредо­точено как внутри так и вне проводов. Таким образом, для рассмотрения физических яв­лений в электрической цепи во всей полноте необходимо проводить расчет и исследова­ние электромагнитного поля за­данной цепи. При физическом решении этой за­дачи поль­зуются дифференциальными поня­тиями и параметрами, характери­зующими электромаг­нитное поле в рассматриваемой точке, такими как `Е,`Н,`d, `В,`D, m, g, e . Математи­че­ское описание электромагнитных полей на основе дифференциальных понятий оказы­ва­ется сложной задачей.

Электрическая цепь состоит, как правило, из отдельных однородных уча­стков. В этом случае предоставляется возможность с достаточной для инженер­ных расчетов точ­но­стью описывать процессы на отдельных участках с помо­щью интегральных понятий:

электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии;

электрическое напряжение;

электрический ток;

электрический заряд;

магнитный поток;

электрическое сопротивление.

Применение интегральных понятий к расчетам электрических цепей по­зволяет по­лу­чать сравнительно простые решения задач с допустимой методи­ческой погрешностью.

В каждой реальной электрической цепи можно одновременно наблюдать следую­щие физические процессы:

1) процесс генерирования электрической энергии, который происходит в источни­ках (генераторах) в результате преобразования одного из видов энергии (механической, химиче­ской и др.) в электрическую;

2)процесс преобразования электрической энергии в другие виды, который проте­кает в приемниках энергии;

3)процесс накопления (или возврата) энергии в объеме магнитного поля:

4)процесс накопления (или возврата) энергии в объеме электрического поля:

Перечисленные физические процессы в том или другом сочетании при­сущи всем эле­ментам электрической цепи, протекают одновременно и связаны между собой законом со­хранения энергии.

При расчете режима электрической цепи она представляется некоторой условной схемой или схемой замещения, состоящей из комбинации идеальных схемных элементов. Каждый идеальный схемный элемент отображает на схеме один из физических процессов. Таких схемных элементов всего 5.

1) Идеальный источник напряжения (ЭДС) Е — это схемный элемент, который гене­ри­рует на своих выводах постоянную по величине ЭДС (Е=const), не зависящую от тока, имеет символьное обозначение, показанное на рис. 5а, характеризуется напряжением [В].

2) Идеальный источник тока J-это схемный элемент, которыйгенерирует в цепи по­стоянный по величине ток (J=const), не зависящий от напряжения на его зажимах, имеет символьное обозначение, показанное на рис. 5б, характеризуется током [A].

3) Идеальный резистор R – это схемный элемент, в котором происходит только про­цесс преобразования электрической энергии в другие виды, имеет символьное обозна­чение, показанное на рис. 5в, характеризуется сопротивлением [Ом].

4) Идеальная катушка индуктивности L – это схемный элемент, в котором происхо­дит только процесс накопления (или возврата) энергии в магнитном поле (W_M=Li 2 /2), имеет сим­вольное обозначение, показанное на рис. 5г, характеризуется индуктивностью [Гн].

5) Идеальная конденсатор С – это схемный элемент, в котором происходит только процесс накопления (или возврата) энергии в электрическом поле (W_Э=Сu 2 /2), имеет сим­вольное обозначение, показанное на рис. 5д, характеризуется емкостью [Ф].

Каждый элемент электрической цепи на схеме замещения представляется одним или комбинацией из нескольких идеальных схемных элементов в зави­симости от необхо­димости учета тех физических процессов, которые в нем протекают. Например, лампа на­каливания представляется на схеме только од­ним схемным элементом резистором R, так как тепловая и световая энергия многократно больше энергии электромагнитного поля (рис. 6а), обмотка элек­тромагнитного реле представляется на схеме комбинацией из двух элементов – R и L (рис. 6б), а протяженная двухпроводная линия – комбинацией из 6-и схемных элементов, которые комплексно учитывают физические процессы в ней (рис. 6в).

При составлении схемы замещения электрической цепи всегда пренеб­регают вто­ро­степенными физическими процессами и явлениями, не оказываю­щими существенного влия­ния на точность технического расчета режима. По­этому любая схема замещения ре­альной цепи отображает физические процессы в ней с некоторой степенью приближения.

Дата добавления: 2016-10-18 ; просмотров: 3304 ;

Источник

Процессы в электрических цепях

Электрической цепью есть набор приспособлений, что формируют путь протекания электрического тока, и предназначением которых есть выработка, распределение и потребление электроэнергии.

К составу электрической цепи относится набор обязательных элементов:

• источники электроэнергии;
• приемники электроэнергии;
• провода, соединяющие предыдущие компоненты в контур.

Физические процессы в электрических цепях

Переносчиком энергии есть электромагнитное поле, находящееся внутри и вокруг проводов. Потому при изучения физических процессов, имеющих место в электрической цепи, нужно в полной мере рассматривать электромагнитное поле данной цепи.

Для проведения расчетов и изучения электромагнитного поля электрической цепи применяют понятие дифференциала и параметры электромагнитного поля в конкретной точке исследования. Описать математически параметры электромагнитного поля является задачей не из легких.

Зачастую электрические цепи включают отдельные однородные участки. Благодаря этому представляется возможным описать параметры электромагнитного поля для них. При этом применяются математические интегральные величины.

ЭДС источника электроэнергии рассчитывается так:

\(e_a b=\int\limits_a^bE_c торdl\)

Формула для вычисления напряжения запишется так:

Формула для расчета силы тока:

\(I=\int\limits_S^\Box \overrightarrow<σ>\overrightarrow \) I

Формула для определения электрического заряда:

Для расчета магнитного потока формула имеет следующий вид:

Для расчета электрического сопротивления используют следующее выражение:

Так как для расчета электрических цепей используют интегральные величины, становится возможным относительно простой расчет с получением параметров с небольшими неточностями.

Сложно разобраться самому?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Для любой электрической цепи характерно одновременное протекание таких физических процессов:

• генерирование электрической энергии. Данный процесс имеет место в генераторах посредством трансформации каких-либо видов энергии в электрическую. Например, механической, химической, тепловой и прочих;
• преобразование электроэнергии в прочие виды энергии. Подобные процессы имеют место в приемниках;
• возвращение или накапливание электроэнергии в магнитном поле:
  \(W_M=\int_a^\Box < <1>\over 2> μμ_0 H^2 dV_2; \)
• возвращение или накапливание электроэнергии в электрическом поле:
  \(W_Э=\int_V^\Box < <1>\over 2> μμ_0 H^2 dV. \)

Все вышеназванные процессы характерны для всех компонентов электрической цепи и производятся в один момент, подчиняясь законам сохранения энергии.

Для расчета физических процессов в электрических цепях их представляют, как условные схемы, состоящие из идеальных компонентов. При этом каждый из них будет соответствовать определенному процессу. К данным элементам относятся пять компонентов:

1. Идеальный источник ЭДС \(E\) . Этот компонент производит постоянную ЭДС, которая не зависима от силы тока и описывается напряжением.
2. Идеальный источник электрического тока \(I\) . Этот компонент производит постоянный электрический ток. Эта величина не зависима от напряжения и описывается током.
3. Идеальный резистор \(R\) . Этот компонент выполняет функцию преобразования электроэнергии в прочие виды энергии. Он обозначается символически и описывается сопротивлением.
4. Идеальная катушка индуктивности \(L\) . Данный компоненте цепи отвечает за возвращение или накапливание электроэнергии в магнитном поле. Он описывается индуктивностью.
   \(W_M= <\over 2> \)
5. Идеальный конденсатор \(C\) . Этот компоненте цепи отвечает за возвращение или накапливание электроэнергии в электрическом поле. Он описывается емкостью.
   \(W_Э= <<Сu^2>\over 2> \)

Все компоненты цепи отображаются посредством одного или двух идеальных компонентов, в зависимости от того, какие именно процессы нужно рассчитать.

Переходные процессы в электрических цепях

Под влиянием различных факторов в электрических цепях происходят переходные процессы. Подобное влияние способствует переходу электрических цепей из устоявшихся состояний в какие-то новые. Источниками таких воздействий может быть коммутационная аппаратура, подключение или отключение источников и прочее.

К примеру, если есть электрическая цепь с источником напряжения \(U_0\) , к ней подключить разряженный конденсатор \(C\) через резистор \(R\) , то напряжение в конденсаторе изменится от нуля до \(U_0\) согласно закону:

где \(τ=RC\) – постоянная времени.

Анализируя процессы в электрических цепях, сталкиваются с их разновидностями. Они бывают переходными и стационарными (установившимися).

Стационарными есть такие процессы, при которых значения напряжений и токов остаются постоянными на отдельных участках.

Для стационарных процессов характерен повтор мгновенных значений токов и напряжений в разветвлениях. При этом токи, напряжения и структура цепи неизменны. Для установившихся процессов характерна зависимость напряжений и токов от разновидностей внешних воздействий и характеристик самой цепи.

Переходным есть процесс в электрической цепи, проявляющийся при ее переходе от одного состояния в другое, что отличается от предыдущего хотя бы одни параметром. Напряжения и токи при таком переходе называют переходящими.

Стационарный режим может изменяться из-за внешних сигналов, например, включения или выключения внешних или внутренних источников влияния.

Коммутацией есть любая перемена в электрической цепи, активизирующая процесс перехода.

Коммутацией в электрических цепях есть процесс переключения элементов электрической цепи или отключение полупроводникового устройства.

Все переходные процессы на практике являются быстропротекающими. Они могут протекать за тысячные доли секунды. В очень редких случаях они могут длиться секунду и более.

При этом рождается вопрос, а есть ли смысл обращать внимание на столь быстротечные процессы? На данный вопрос в каждом конкретном случае будет свой ответ, так как роль каждого из таких процессов может быть различна по степени важности. Переходные процессы особо важное значение имеют в устройствах усиливающих, преобразовывающих и формирующих импульсные сигналы, продолжительность которых равна длительности таких переходных процессов.

Переходные процессы есть основной причиной изменения импульсных сигналов при пересечении ими электрических цепей. Анализирование и вычисление параметров автоматических устройств, непрерывно осуществляющих преобразования электрических цепей, невозможно без переходных процессов.

При этом, для некоторых устройств переходные процессы являются крайне нежелательными. Рассчитывая переходные процессы, определяют потенциальную возможность перенапряжения и резкого роста электрического тока, что является очень важным в электрических цепях большой емкости и индуктивности.

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Источник