Ветвь и узел электрической цепи

Введение

Подавляющее большинство задач по электротехнике сводится к расчету режимов электрических цепей. В условии задается схема электрической цепи и параметры её элементов (напряжения источников питания, сопротивления резисторов и т. п.). Как правило, требуется определить токи и напряжения на различных элементах цепи.

Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, ее передача и преобразование в приемниках происходят при неизменных по величине во времени токах и напряжениях, принято называть цепями постоянного тока.

Следует заметить что методы решения задач для цепей постоянного тока применимы и для цепей синусоидального тока. Различие только в применяемом математическом аппарате.

Непосредственно перед решением задачи необходимо проанализировать схему электрической цепи и выяснить к какому виду (простая или сложная) относится данная электрическая цепь. Для каждого вида существуют свои варианты и способы решения. Далее выбирают наиболее оптимальный вариант расчета и переходят непосредственно к решению задачи.

Для рассмотрения основных приемов решения подобных задач сначала необходимо определится с ключевыми понятиями, без которых дальнейшее рассмотрение будет просто невозможным.

Элементы электрической цепи

Электрической цепью называют совокупность электрических элементов, соединенных проводниками. Состояние электрической цепи можно описать с помощью понятийнапряжения и тока. Все элементы электрической цепи можно условно разбить на две группы: пассивные элементы (резисторы) и активные элементы (источники электромагнитной энергии).

Резистор - пассивный электрический элемент, характеризуемый величиной, называемой электрическим сопротивлением R. Иногда при расчете цепей удобнее использовать другой величиной, обратной сопротивлению: проводимостью G (1.1).

Электрическое сопротивление резистора R, напряжение на его зажимах U_R и ток через резистор I_R связаны между собой законом Ома (1.2).

Под активными элементами электрической цепи следует понимать любые источники электрической энергии. Различают два вида источников электрической энергии: источники напряжения и источники тока.

Источник напряжения характеризуется двумя параметрами: величиной электродвижущей силы (ЭДС) Е и внутренним сопротивлением R. На схемах отображается в виде последовательного соединения источника ЭДС Е и сопротивления R.

Напряжение на зажимах источника напряжения U отличается от величины ЭДС E на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника R. Для случая, когда I = 0 справедливо U = E.

Источник тока также характеризуется двумя параметрами: величиной тока I и внутренним сопротивлением R. На схемах отображается в виде параллельного соединения источника тока со значением I и внутреннего сопротивления R.

Любой реальный источник электрической энергии можно представить в виде, как источника напряжения, так и источника тока. Иногда при решении задач возникает необходимость трансформировать источник тока в источник напряжения (или наоборот). Эти преобразования легко можно выполнить с помощью формул, приведенных ниже.

Цепи постоянного тока. Элементы цепи, определение.

Цепи постоянного тока это совокупность объектов и устройств, которые создают путь для движения электрического тока. При этом все происходящие электромагнитные процессы описываются с применение понятий об электродвижущей силе электрическом напряжении и токе.

Все объекты и устройства, которые входят в цепь постоянного тока подразделяются на категории. Первая из них это источники тока. Те источники, в которых идет преобразование не электрической энергии в электрическую называются первичными. К ним относятся гальванические элементы аккумуляторы электрогенераторы фотоэлементы. Если же источник преобразует электрическую энергию, то он называется вторичным. К таким источникам можно отнести выпрямители трансформаторы стабилизаторы и преобразователи.

Кроме источников тока существуют потребители. В них идет обратный процесс преобразования энергии. То есть электрическая переходит в другие виды. В частности в тепловую в нагревательных элементах или в электромагнитную в виде излучения.

И все что осталось относиться к вспомогательным элементам цепи постоянного тока. То есть, то, что не является ни источником, ни потребителем энергии. Сюда можно отнести соединительные провода коммутационные разъёмы переключатели измерительные приборы.

Реальные электрические цепи для упрощения их анализа и расчета изображаются в виде электрических схем. В которых реальные объекты и устройства заменяются на графические условные обозначения. Реальные источники тока в таких электрических схемах представляются в виде источника эдс с внутренним сопротивлением. Нагревательные элементы и им подобные изображаются в виде эквивалентного электрического сопротивления.

Рисунок 1 — пример электрической схемы

В случае проведения расчетов с использованием электрических схем выделяют некоторые понятия. Например, ветвь электрической цепи это такой участок схемы на котором значение тока неизменно. В такую ветвь может входить от одного до нескольких элементов включённых последовательно.

Рисунок 2 — ветвь электрической цепи

Узлом электрической цепи называется та часть цепи, где происходит соединение минимум трех ветвей. На практике их может быть значительно больше. А соединение двух ветвей это будет также одна ветвь без разветвлений, но разбитая на части. И ток в них будет протекать все равно один и тот же. Если две различные ветви соединяют два разных узла, то они называются параллельными.

Рисунок 3 — узел электрической цепи

Ток в цепи постоянного тока не может протекать, если она не замкнута. И та часть цепи, которая состоит из нескольких ветвей и при этом она замкнута, называется контуром.

Рисунок 4 — контур электрической цепи

Любая цепь электрического постоянного тока, состоящая из выше перечисленных элементов, может быть отнесена к одному из двух видов цепей. Первая это линейная электрическая цепь. В такой цепи присутствуют только такие элементы параметры, которых не изменяются с изменением тока проходящего через них. В роли такого параметра может выступать сопротивление.

В нелинейных электрических цепях также могут присутствовать линейные элементы. Но отличаются такие цепи наличием одно или более нелинейного элемента. То есть в таком элементе изменяется один из параметров при протекании тока через него. Простейшим нелинейным элементом является лампа накаливания. В холодном состоянии спираль имеет более низкое сопротивление, а при прохождении тока через нее сопротивление увеличивается.

Ветвь и узел электрической цепи

Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и способом их соединения. Соединение элементов электрической цепи наглядно отображается ее схемой. В зависимости от особенностей схемы следует применять тот или иной способ расчета электрической цепи. В данном разделе рассмотрим ключевые понятия, которые в дальнейшем будут необходимы для выбора наиболее оптимального и правильного приема решения задач.

Ветвью называется участок электрической цепи, обтекаемый одним и тем же током. Ветвь образуется одним или несколькими последовательно соединенными элементами цепи.

Узел - место соединения трех и более ветвей.

В качестве примера на рисунке изображены схемы двух электрических цепей. Первая из них содержит 6 ветвей и 4 узла. Вторая состоит из 5 ветвей и 3 узлов. В этой схеме обратите внимание на нижний узел. Очень часто допускают ошибку, считая что там 2 узла электрической цепи, мотивируя это наличием на схеме цепи в нижней части 2-х точек соединения проводников. Однако на практике следует считать две и более точки, соединенных между собой проводником, как один узел электрической цепи.

При обходе по соединенным в ветвях цепям можно получить замкнутый контурэлектрической цепи. Каждый контур представляет собой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, при этом каждый узел встречается в данном контуре не более одного раза. Ниже приведена электрическая схема, на которой отмечено несколько произвольно выбранных контуров.

Всего для данной цепи можно выделить 6 замкнутых контуров.